KR20030076370A - 정전구동 디바이스 - Google Patents

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KR20030076370A
KR20030076370A KR10-2003-0017056A KR20030017056A KR20030076370A KR 20030076370 A KR20030076370 A KR 20030076370A KR 20030017056 A KR20030017056 A KR 20030017056A KR 20030076370 A KR20030076370 A KR 20030076370A
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닛뽄 고쿠 덴시 고교 가부시키가이샤
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Abstract

마이크로 머시닝 기술로 제조되고, 고정전극 기판과, 이 고정전극 기판에 대해 거의 평행하게 배치되는 가동전극판과, 이 가동전극판을, 상기 고정전극 기판에 접근하는 방향 및 상기 고정전극 기판으로부터 이격되는 방향으로 이동 가능하게 지지하는 수단을 구비하는 정전구동 디바이스에 있어서, 상기 고정전극 기판과 상기 가동전극판 사이에 풀인전압보다 작은 구동전압을 인가하여 상기 가동전극판을 정전구동하는 동시에, 구동전압을 인가하지 않을 때의 상기 가동전극판과 상기 고정전극 기판 사이의 전극간 거리를, 상기 풀인전압보다 작은 구동전압에 의해 정전구동되었을 때에 상기 가동전극판이 이동하는 거리의 3배보다 큰 값으로 설정한다.

Description

정전구동 디바이스{ELECTR0STATICALLY 0PERATED DEVICE}
본 발명은 마이크로 머시닝 기술을 사용해서 제조되는 정전구동 디바이스에 관한 것이며, 상세하게 말하면, 가동전극판이 대향하는 고정전극 기판을 향해서 정전구동되었을 때에, 가동전극판이 고정전극 기판에 접촉하지 않도록 구성되어 있는 정전구동 디바이스에 관한 것이다.
마이크로머시닝 기술을 사용하여 제조되는 정전구동 디바이스는, 예를 들면 광파이버와 같은 광도파로를 전파하는 광신호의 경로를 전환하기 위한 광스위치로서 구현화할 수 있다. 설명을 간단 명료하게 하기 위해, 이하에서는 정전구동 디바이스를 광스위치로서 구현화한 사례에 대하여 기재한다.
먼저, 선행기술의 광스위치의 1예에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 간단하게 설명한다. 도 1은 선행기술의 광스위치의 1구성을 도시하는 평면도, 도 2는 도 1을 2-2선을 따라 절단하여, 화살표 방향으로 본 단면도이다. 예시의 광스위치(SW1)는, 평면이고 거의 장방형인 고정전극 기판(8)과, 이 고정전극 기판(8)과 장변은 거의 같은 길이이지만 단변이 짧은 평면이고 거의 장방형인 틀체인 가동전극지지 틀(10)과, 이 가동전극 지지틀(10)의 거의 장방형인 개구(12)의 중앙부의 상부에서, 고정전극 기판(8)과 소정의 간격을 지지하고 거의 평행하게 배치된 평면이고 거의 정방형인 가동전극판(2)과, 이 가동전극판(2)을 고정전극기판(8)에 접근하는 방향 및 고정전극 기판(8)으로부터 이격되는 방향으로 이동가능하게 지지하기 위한 복수개의 절곡부를 갖는 신축가능한, 또한 가요성인 2개의 빔(21)과, 가동전극판(2)의 상면의 중심부에, 가동전극판(2)의 1개의 대각선 방향을 따라 형성된 미러(3)를 구비하고 있다.
상기 신축 가능한, 또한 가요성인 2개의 빔(21)은 프랙쳐라고 불리고 있으며, 각각의 1단이 가동전극 지지틀(10)의 길이방향에 대향하는 가동전극판(2)의 2변의 거의 중앙부에 일체적으로 결합되어 있고, 그들의 타단은 평면이고 거의 정방형인 앵커부(21A)에 형성되고, 이들 앵커부(21A)가 가동전극 지지틀(10)의 상기 길이 방향에 대향하는 2변의 거의 중앙부에 각각 고정된다. 이들 앵커부(21A)의 상면에는 전극(83)이 형성된다. 또한, 이들 빔(21)의 앵커부(21A)가 고정된 가동전극 지지틀(10)이 대향하는 2변의 거의 중앙부의 표면에는, 후술하는 바와 같이, 절연체층(예를 들면 SiO2층)(11)이 형성되어 있으므로, 빔(21)은 가동전극 지지틀(10)로부터 전기적으로 절연되어 있다.
상기 가동전극 지지틀(10), 2개의 빔(21) 및 가동전극판(2)은 일체로 형성되어 있어, 예를 들면 평면이고 거의 장방형인 SOI(실리콘 온 인슐레이터(Silicon on Insulator)) 기판에 대해 마이크로머시닝 기술을 사용하여 제조할 수 있다. 이 제조방법에 대해서는 후술한다. 또한, 상기 가동전극 지지틀(10)내에 형성되는 거의 장방형의 개구(12)는 상기 가동전극판(2) 및 2개의 빔(21)을 수용할 수 있는 크기로 형성한다는 것은 말할 필요도 없다.
상기 고정전극 기판(8)은, 예를 들면 소정 두께의 평면이고 거의 장방형인 단결정 실리콘으로 이루어지는 기판이고, 이 예에서는 그 상면 및 바닥면의 전면에 절연체층(예를 들면 SiO2층)(85T 및 85B)이 형성되어 있다. 이 고정전극 기판(8)에 전극을 형성하기 위해, 상면의 절연체층(85T)의 일부분(도시한 예에서는 도 1에서 상부 우측각부)을 제거하여 내부의 실리콘기판을 노출시키고, 그 노출부분에 전극(84)이 형성되어 있다. 이 전극(84)은, 통상, 접지전극으로서 사용된다.
상기 구성의 고정전극 기판(8)의 상부에 상기 가동전극 지지틀(10)이 얹혀 놓이고, 일체화된다. 후술하는 바와 같이, 가동전극 지지틀(1O)의 바닥면에도 절연체층(예를 들면 SiO2층)(10B)이 형성되어 있으므로, 일체화된 고정전극 기판(8)과 가동전극 지지틀(10)은 고정전극 기판(8)의 상면의 절연체층(85T) 및 가동전극 지지틀(10)의 바닥면의 절연체층(10B)에 의해 전기적으로 절연되어 있다. 또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 고정전극 기판(8)의 전극(84)은 얹혀 놓인 가동전극 지지틀(10)의 외측에 위치하도록 형성한다.
상기 가동전극 지지틀(10), 및 이것과 일체하는 2개의 빔(21) 및 가동전극판(2)을 제조하는 방법의 1예를 도 3a∼3h를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 3a에 도시하는 바와 같이, 평면이고 거의 장방형인 SOI기판(1)을 준비한다. 일반적으로는, SOI기판(1)은 단결정 실리콘으로 이루어지는 지지기판(14), 그 상부의 절연체층(11), 이 절연체층(11)상의 단결정 실리콘으로 이루어지는 박층(16)의 3층으로 구성되어 있다. 이 예에서는 SOI기판(1)으로서,단결정 실리콘으로 이루어지는 지지기판(14)의 표면에 SiO2층으로 이루어지는 절연체층(11)을 형성하고, 이 SiO2층(11)상에 얇은 단결정 실리콘층(16)을 접합한 것을 사용하고 있지만, 기지의 다른 방법에 의해 제조된 임의의 SOI기판을 사용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 상기한 바와 같이, 이 예에서는, 도 3a에 도시하는 바와 같이, SOI기판(1)의 바닥면에 절연체층(예를 들면 SiO2층)(10B)이 미리 형성되어 있다.
다음에, 포토리소그래피기술을 사용하여, S0I기판(1)의 단결정 실리콘의 박층(16)을, 도 3b에 도시하는 바와 같이, 2개의 빔(21)(앵커부(21A)를 포함함) 및 가동전극판(2)에 대응하는 형상으로 패터닝한다.
다음에, SOI기판(1)의 전체표면을 산화한다. 그 결과, 도 3c에 도시하는 바와 같이, 빔(21) 및 가동전극판(2)상과, 노출되어 있는 절연체층(11)상에 SiO2층 (18)이 형성되고, 또한, SOI기판(1)의 바닥면의 SiO2층(10B)의 두께가 두꺼워진다.
다음에, 도 3d에 도시하는 바와 같이, SOI기판(1)의 상면의 SiO2층(18)중, 각 빔(21)의 앵커부(21A)의 상면의 SiO2층, 및 SOI기판(1)의 바닥면의 SiO2층 (10B)중, 가동전극 지지틀(10)의 개구(12)에 상당하는 부분의 SiO2층을 제거하고, 각 앵커부(21A)의 상면과 지지기판(14)의 바닥면의 주변부를 제외한 부분을 노출시킨다.
다음에, 도 3e에 도시하는 바와 같이, SOI기판(1)의 상면 전체에 금/크롬의 2층막(80)을 성막한다. 그 후, 도 3f에 도시하는 바와 같이, 각 빔(21)의앵커부(21A)의 상면을 제외한 부분의 금/크롬의 2층막(80)을 제거하고, 각 앵커부(21A)상에 전극(83)을 형성한다.
다음에, SOI기판(1)의 바닥면측에서 KOH용액을 사용하여 지지기판(14)을 에칭하고, 도 3g에 도시하는 바와 같이, 개구(12)를 형성한다. 이에 의해 지지기판(14)으로부터 평면이고 거의 장방형인 가동전극 지지틀(10)이 형성된다.
다음에, SOI기판(1)의 상부측의 SiO2층(11 및 18)을, 도 3H에 도시하는 바와 같이, 가동전극 지지틀(10)의 상면과 각 빔(21)의 앵커부(21A)의 바닥면과의 사이에 개재시키는 SiO2층(11)을 제외하고, 제거한다. 이렇게 하여, 도 1 및 도 2에 도시한 것과 동일한 구성 및 구조를 갖는 가동전극 지지틀(10), 및 이것과 일체의 2개의 빔(21) 및 1개의 가동전극판(2)이 형성된다.
또한, 가동전극판(2)의 1개의 대각선방향을 따라 이 가동전극판(2)상에 형성되는 미러(3)의 제조공정은 생략했지만, 본 출원인이 1998년 10월 16일에 출원한 일본 특원평 10-295037호나 본 출원인이 2000년 11월 15일에 출원한 일본 특원 2000-348378호에는, SOI기판을 사용한 광스위치는 아니지만, 미러의 제조공정이 기재되어 있으므로, 미러의 제조공정에 대해서는 이들 일본 특원평 10-295037호 및 일본 특원 2000-348378호의 공개공보인 일본 특개 2000-121967호 공보 및 일본 특개 2002-148531호 공보를 참조하기 바란다. 또, 본 출원인이 2001년 7월 27일에 출원한 일본 특원 2001-227613호에는, 도 1 및 도 2에 도시한 선행기술의 광스위치가 동일하게 선행기술로서 본 출원의 도 13에 기재되어 있다.
상술한 바와 같이, 고정전극 기판(8)은 별체로 제조되고, 그 상면 및 바닥면의 전면에 절연체층(예를 들면 SiO2층)(85T 및 85B)가 형성된다. 상기 구성의 가동전극 지지틀(10)은 이 고정전극 기판(8)의 표면에 형성된 절연체층(85T)상에 얹혀 놓이고, 일체화되기 때문에, 고정전극 기판(8)과 가동전극 지지틀(10)은 절연체층(85T 및 10B)에 의해 전기절연상태에 있다.
다음에, 상기 구성의 광스위치(SW1)의 동작에 대하여 설명한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 광스위치(SW1)에 광신호(L)를 입사한 입력측 광도파로, 이 예에서는 광파이버(4)는 광스위치(SW1)의 도면에서 좌측에 배치되고, 이 입력측 광파이버(4)와 광스위치(SW1)로부터 출사되는 광신호(L)를 전송하는 1개의 출력측 광도파로, 이 예에서는 광파이버(5)가 미러(3)의 거울면에 대하여 약 45도 각도를 이루어 이 미러(3)를 통과하는 1개의 직선상에 배열되고, 또, 상기 광스위치(SW1)로부터 출사되는 광신호(L)를 전송하는 다른 1개의 출력측 광도파로, 이 예에서는 광파이버(6)는 상기 미러(3)를 통과하고, 또한 상기 직선과 직교하는 직선상에 배치되어 있다.
상술한 바와 같이, 미러(3)는 가동전극판(2)의 중심부에서 그 대각선을 따라 배치되어 있으므로, 입력측 광파이버(4)의 출력단으로부터 출사되고, 공간중을 직진하는 광신호(L)는 미러(3)에 대해 거의 45도 각도를 이루어 입사한다. 그 결과, 이 광신호(L)는 이 미러(3)에 의해 입사광에 대해 90도 각도를 이루는 방향(직각 방향)으로 반사되고(입사각과 같은 거의 45도 각도로 미러(3)로부터 출사되고), 출력측 광파이버(6)의 입력단으로 전송된다. 본 명세서에서는, 입력측 광파이버(4)로부터 출사되는 광신호(L)가 미러(3)에 의해 반사되어 출력측 광파이버(6)로 전송되는 광신호의 전송상태를 정상상태라고 정의한다.
상기 정상상태에서, 가동전극판(2)과 고정전극 기판(8) 사이에 소정의 전압을 인가하여 양 전극간에 흡인하는 방향의 정전력을 발생시키면, 2개의 빔(21)은 신축가능하고 가요성을 가지며, 또, 고정전극 기판(8)은 부동이므로, 가동전극판(2)이 고정전극 기판(8)측으로 하향으로 구동된다. 따라서 가동전극판(2)과 고정전극 기판(8) 사이에 인가하는 전압을 제어하고, 가동전극판(2)의 상면에 고정된 미러(3)가 입력측 광파이버(4)로부터 출사하여 직진하는 빛의 경로로부터 벗어난 위치에까지 하방으로 변위하도록 가동전극판(2)을 하방으로 변위시키면, 입력측 광파이버(4)로부터 출사되는 광신호(L)는 그대로 직진하여 출력측 광파이버(5)로 전송되게 된다. 이렇게 하여, 광스위치(SW1)에 입사하는 광신호(L)를 어느 일방의 출력측 광파이버(5 또는 6)에 전환하여 전송할 수 있다. 즉, 상기 구성의 광스위치(SW1)는, 광도파로 또는 광전송로를 전파하는 광신호의 경로를, 고체의 광도파로를 개재시키지 않고, 공간적으로 전환할 수 있다.
상기 구성의 선행기술의 광스위치(SW1)는, 가동전극판(2)과 2개의 빔(21)이 금/크롬의 2층막(80), 또는 다른 도전체의 박막에 의해 일체로 형성되어 있어, 가동전극판(2)의 판두께는 상당히 얇다. 이 때문에, 이 가동전극판(2)을 상하 방향으로 이동 가능하게 지지하기 위해, 이 가동전극판(2)을 앵커부(21A)를 통해서 가동전극 지지틀(10)에 지지하는 2개의 빔(21)의 판두께도 상당히 얇아, 그 탄성 복원력이 작다. 또, 가동전극판(2)의 바닥면은 평활하고, 이것에 대향하는 고정전극 기판(8)의 상면도 평활하다.
게다가, 선행기술에 있어서는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 스위칭 동작을 위해 가동전극판(2)을 거리(X)만큼 하방으로(고정전극 기판(8)에 접근하는 방향으로) 구동할 경우, 구동전압을 인가하지 않는 때의 가동전극판(2)의 바닥면과 고정전극 기판(8)의 상면 사이의 전극간거리(A)를 이 가동전극판(2)이 구동되는 거리(X)(초기설정값 A=X)로 설정하고, 가동전극판(2)과 고정전극 기판(8) 사이에, 가동전극판(2)을 거리(X)만큼 구동할 수 있는 소정의 구동전압(V)을 인가하고 있다.
가동전극판(2)에 인가하는 구동전압과 가동전극판(2)이 구동되는 거리와의 관계는 선형이 아니다. 가동전극판(2)에 인가하는 구동전압을 서서히 증대시키면, 가동전극판(2)은 고정전극 기판(8)을 향해서 하방으로 구동되는데, 가동전극판(2)의 이동거리가 상기 전극간거리(X)(선행기술에서는 A=X)의 1/3 이상이 되면, 즉, 구동된 가동전극판(2)의 바닥면과, 이것에 대향하는 고정전극 기판(8)의 상면간의 거리가 초기설정값(X)의 2/3 이하가 되면, 가동전극판(2)은 고정전극 기판(8)을 향해서 일거에 구동되어 고정전극 기판(8)의 표면에 흡착된다는 특징을 갖고 있다. 이 가동전극판(2)이 고정전극 기판(8)을 향해서 일거에 구동될 때의 구동전압값을 풀인전압(PULL-IN 전압)이라고 한다.
선행기술에서는 가동전극판(2)을 거리(X)만큼 구동하므로, 소정의 구동전압(V)은 당연히 이 풀인전압(PV) 이상으로 설정되어 있다. 이 때문에, 가동전극판(2)은 초기설정값(X)의 1/3의 거리를 초과하면, 고정전극 기판(8)을 향해서 일거에 구동되고, 고정전극 기판(8)의 상면과 접촉한다. 또한, 풀인전압에 대해서는 나중에 더 상세하게 설명한다.
가동전극판(2)이 하방으로 변위하여 그 바닥면이 고정전극 기판(8)의 상면에 접촉하면, 가동전극판(2)의 바닥면과 고정전극 기판(8)의 상면 사이에는 반데르발스 힘이 작용하여 양자는 서로 흡착하고, 구동전압(V)의 인가를 정지해도 가동전극판(2)이 순식간에는 원래의 위치로 복귀하지 않는다는 현상, 즉, 가동전극판(2)과 고정전극 기판(8) 사이에 반데르발스 힘에 의한 일시적인, 또는 항구적인 첩부현상이 생긴다. 이 때문에, 순식간에 광로를 전환할 수 없어, 스위칭 동작의 신뢰성을 크게 해친다는 결점이 있었다.
이 때문에, 대향하는 가동전극판(2)의 바닥면 또는 고정전극 기판(8)의 상면중 어느 일방에 돌기를 형성하여 가동전극판(2)과 고정전극 기판(8) 사이의 접촉면적을 저감하고, 상술한 반데르발스 힘에 의한 일시적인, 또는 항구적인 첩부현상의 발생을 방지하도록 구성한 정전구동 디바이스가 제안되어 있고, 예를 들면 일본 특개평 10-256563호 공보나, 상기한 일본 특개 2001-264650호 공보에 개시되어 있고, 또, 상술한 일본 특원 2001-227613호에는 선행기술로서 도 15에 도시되어 있다.
이 일본 특원 2001-227613호에 기재되어 있는 선행기술의 정전구동 디바이스를 도 5∼도 7에 도시한다. 이 정전구동 디바이스도 광스위치로서 구현화되어 있고, 도 5는 이 광스위치의 1구성을 도시하는 평면도, 도 6은 도 5를 6-6선을 따라 절단하고, 화살표 방향으로 본 단면도, 도 7은 고정전극 기판의 평면도이다.
도 5∼도 7로부터 용이하게 이해할 수 있듯이, 이 광스위치(SW2)는, 고정전극 기판(8)의 상면중, 가동전극판(2)과 대향하는 부분에 매트릭스 형상으로 돌기(13)가 형성되어 있는 점을 제외하면, 도 1 및 도 2를 참조하여 이미 기재한 선행기술의 광스위치(SW1)와 그 구성, 형상, 및 구조가 동일하므로, 도 1 및 도 2에 대응하는 부분이나 소자에 동일부호를 붙여서 도시하고, 그들 설명을 생략한다. 또한, 고정기판의 상면에 복수개의 돌기를 형성하는 제조방법의 상세에 대해서는, 일본 특개평 10-256563호 공보, 일본 특개 2001-264650호 공보, 또는 일본 특원 2001-227613호를 참조하기 바란다.
이 선행기술과 같이, 고정전극 기판(8)의 상면에 돌기(13)를 매트릭스 형상으로 형성하고, 가동전극판(2)과 고정전극 기판(8) 사이의 접촉면적을 저감하는 구조를 채용해도, 이들 가동전극판(2)과 고정전극 기판(8) 사이에 풀인전압(PV) 이상의 구동전압(V)을 인가하고 있는 동안에, 양자간에 개재시키는 고정전극 기판(8) 상면의 절연체층(SiO2층)(85T)이 대전되고, 이 대전에 의해 가동전극판(2)에 정전흡인력이 작용한다. 그 결과, 구동전압(V)의 인가를 정지해도 가동전극판(2)이 순간적으로 원래의 위치로 복귀하지 않아, 복귀에 시간지연이 발생한다. 따라서, 스위칭 동작의 신뢰성을 크게 해친다는 결점이 여전히 존재한다.
이 경우, 고정전극 기판(8)의 상면 전체면에 절연체층(85T)을 형성하지 않고 가동전극판(2)과 접촉하는 돌기(13)만을 절연체에 의해 형성하면, 대전량이 감소하므로 가동전극판(2)에 작용하는 정전 흡인력을 저감할 수 있다. 그러나, 이 정전흡인력을 완전하게 제거할 수는 없다.
또, 절연체층(85T)의 대전에 의한 정전 흡인력을 전무로 하기 위해 고정전극 기판(8)의 상면에 절연체층(85T)을 형성하지 않는 것도 생각되지만, 가동전극판(2)이, 구동되어 고정전극 기판(8)에 접촉했을 때에, 양자는 도통상태가 되기 때문에, 전기회로적으로 바람직하지 않다.
본 발명의 목적은, 거의 평행하게 대향 배치된 가동전극판과 고정전극 기판 사이에 소정의 구동전압을 인가하여 가동전극판을 정전구동했을 때에, 가동전극판이 고정전극 기판에 접촉하지 않는 위치에서 정지하도록 구성한 정전구동 디바이스를 제공하는 것이다.
도 1은 선행기술의 정전구동 디바이스의 1예의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 2는 도 1을 2-2선을 따라 절단하고, 화살표 방향으로 본 단면도이다.
도 3a∼도 3h는 도 1에 도시한 정전구동 디바이스의 가동전극 지지틀, 가동전극판, 및 2개의 빔의 제조방법의 1예를 공정순서로 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시한 정전구동 디바이스의 주요 구성소자를 개략적으로 도시하는 구성도이다.
도 5는 선행기술의 정전구동 디바이스의 다른 예의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 6은 도 5를 6-6선을 따라 절단하고, 화살표 방향으로 본 단면도이다.
도 7은 도 5에 도시한 정전구동 디바이스에 사용된 고정전극 기판의 평면도이다.
도 8은 본 발명에 의한 정전구동 디바이스의 1실시예의 주요 구성소자를 개략적으로 도시하는 구성도이다.
도 9는 본 발명의 원리가 되는 평행 평판형의 정전구동 액추에이터의 동작원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 10은 도 9에 도시한 정전구동 액추에이터의 정전인력 및 복원력과 변위와의 관계를 도시하는 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일면에서는, 마이크로 머시닝 기술로 제조되고, 고정전극 기판과, 이 고정전극 기판에 대해 거의 평행하게 배치되는 가동전극판과, 이 가동전극판을, 상기 고정전극 기판에 접근하는 방향 및 상기 고정전극 기판으로부터 이격되는 방향으로 이동 가능하게 지지하는 수단을 구비하는 정전구동 디바이스에 있어서, 상기 고정전극 기판과 상기 가동전극판 사이에 풀인전압보다 작은 구동전압을 인가하여 상기 가동전극판을 정전구동하는 것을 특징으로 하는 정전구동 디바이스가 제공된다.
바람직한 1실시예에서는, 구동전압을 인가하지 않을 때의 상기 가동전극판과 상기 고정전극 기판 사이의 전극간 거리가, 상기 풀인전압보다 작은 구동전압에 의해 정전구동되었을 때에 상기 가동전극판이 이동하는 거리의 3배보다 큰 값으로 설정되어 있다.
상기 구성에 의하면, 가동전극판과 고정전극 기판 사이에 풀인전압보다 작은 구동전압이 인가되므로, 가동전극판은 풀인 변위 미만의 위치로 변위한 상태에 머문다. 따라서, 가동전극판이 고정전극 기판을 향해서 일거에 구동되어 고정전극 기판과 접촉하는 일이 사라지고, 또, 고정전극 기판상면의 절연체층이 대전되고, 이 대전에 의해 가동전극판에 정전 흡인력이 작용한다는 현상도 발생하지 않는다. 그 결과, 구동전압의 인가를 정지하면, 가동전극판은 순식간에 원래의 위치로 복귀하므로, 가동전극판을 순식간에 초기위치에서 변위위치로, 또, 변위위치에서 초기위치로 전환하여 구동할 수 있고, 안정된 동작의, 또한 신뢰성이 상당히 높은 정전구동 디바이스를 얻을 수 있다.
바람직한 실시예의 상세한 설명
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그렇지만, 본 발명은 많은 다른 형태로 실시 가능하므로, 이하에 기술하는 실시예에 본 발명이 한정된다고 해석해야 하는 것은 아니다. 후술의 실시예는, 이하의 개시가 충분하고, 완전한 것이고, 본 발명의 범위를 이 분야의 기술자에게 충분히 알리기 위해 제공되는 것이다.
도 8은 본 발명에 의한 정전구동 디바이스의 1실시예의 주요 구성소자를 개략적으로 도시하는 구성도이고, 이 실시예도 정전구동 디바이스가 광스위치로서 구현화되어 있는 사례를 도시한다. 이 광스위치는 도 1 및 도 2에 도시한 선행기술의 광스위치(SW1)와 동일한 구성, 구조, 및 형상을 갖는 것이 좋으므로, 그 상세한 설명은 생략하지만, 평면이고 거의 장방형인 고정전극 기판(8)과, 이 고정전극 기판(8)상에 얹혀 놓이는 평면이고 거의 장방형인 틀체인 가동전극 지지틀(도시하지 않음)과, 이 가동전극 지지틀의 대략 장방형의 개구 중앙부의 상부에서, 고정전극 기판(8)과 소정의 간격을 유지하고 거의 평행하게 배치된 평면이고 거의 정방형인 가동전극판(2)과, 이 가동전극판(2)을 고정전극 기판(8)에 접근하는 방향 및 고정전극 기판(8)으로부터 이격되는 방향으로 이동 가능하게 지지하기 위한 복수개의 절곡부를 갖는 신축 가능한, 또한 가요성인 2개의 빔(프랙쳐라고 불리고 있음)과, 가동전극판(2)의 상면의 중심부에, 가동전극판(2)의 1개의 대각선 방향을 따라 형성된 미러(도시하지 않음)를 구비하고 있다.
이 실시예에서는, 스위칭 동작을 위해 가동전극판(2)을 거리(X)만큼 하방으로(고정전극 기판(8)에 접근하는 방향으로) 정전구동하는 경우, 구동전압을 인가하지 않을 때의 가동전극판(2)의 바닥면과 고정전극 기판(8)의 상면 사이의 전극간 거리(A)를, 이 가동전극판(2)을 정전구동하는 거리(X)의 3배보다 큰 값(A>3X)으로 설정하는 것이다. 즉, 상기 전극간 거리(A)의 초기 설정값을 3X보다 큰 값으로 설정하고, 구동전압을 인가하지 않을 때의 가동전극판(2)의 바닥면으로부터, 3X보다 큰 거리 이격된 위치에 고정전극 기판(8)을 배치하고, 가동전극판(2)에 풀인전압(PV)보다 낮은 소정의 구동전압(V)을 인가하는 점에 특징이 있다.
이와 같이 구성하면, 가동전극판(2)을 고정전극 기판(8) 쪽에 거리(X)만큼 구동할 수 있는 소정의 구동전압(V)은, 이 가동전극판(2)의 이동거리(X)가 전극간거리(A)의 초기 설정값(A>3X)의 1/3 보다 작은 거리이므로, 풀인전압(PV)보다 낮은 전압이 된다. 따라서, 가동전극판(2)과 고정전극 기판(8) 사이에 풀인전압(PV)보다 낮은 소정의 구동전압(V)을 인가하는 것만으로, 가동전극판(2)은 고정전극 기판(8)을 향해서 거리(X)만큼 이동하고, 필요한 스위칭 동작을 행할 수 있다.
이와 같이, 가동전극판(2)에는 풀인전압(PV)보다 낮은 구동전압이 인가되므로, 가동전극판(2)은 구동된 위치에 머문다. 따라서, 상술한 선행기술의 경우와 같이, 가동전극판(2)이 고정전극 기판(8)을 향해서 일거에 구동되어 고정전극 기판(8)의 상면과 접촉하는 일이 없으므로, 반데르발스 힘에 의한 일시적인, 또는 항구적인 첩부현상은 발생하지 않는다. 또, 고정전극 기판(8) 상면의 절연체층(SiO2층)이 대전되고, 이 대전에 의해 가동전극판(2)에 정전 흡인력이 작용한다는 현상도 발생하지 않는다. 따라서 상기 실시예의 광스위치는 순식간에 원래의 위치로 복귀하므로, 광로를 항상 순간적으로 전환할 수 있다. 따라서, 스위칭 동작의 신뢰성이 상당히 높아진다.
상기 실시예에서는 본 발명을 마이크로 머시닝 기술을 사용하여 제조되는 광스위치에 적용한 사례에 대하여 기재했는데, 본 발명은 광스위치 이외의 마이크로 머시닝 기술을 사용하여 제조되는 각종의 정전구동 디바이스에도 동일하게 적용할 수 있고, 동일한 작용효과를 얻을 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
다음에, 본 발명의 원리가 되는 평행평판형의 정전구동 액추에이터의 정전인력과 스프링의 복원력과의 관계, 및 풀인전압에 대하여, 동경대학 생산기술연구소의 도시요시 히로시 교수가 발표한 논문을 참조하여 간단하게 설명한다.
도 9는 평행평판형의 정전구동 액추에이터의 동작원리를 설명하기 위한 개략도이다. 구동전압이 인가되지 않는 초기상태에서는 대향하는 가동전극판(S1)과 고정전극판(S2) 사이의 거리는 g이고, 이들 가동전극판(S1)과 고정전극판(S2) 사이에 구동전압(V)을 인가했을 때에, 가동전극판(S1)이 초기위치(P)로부터 고정전극판(S2)을 향해서 △x만큼 변위했다고 한다. 이 때, 가동전극판(S1)과 고정전극판(S2) 사이의 거리는 g-△x가 된다. 그래서, 스프링(SP)의 스프링 정수를 k, 2개의 전극판(S1 및 S2) 사이의 공간의 유전율을 ε0, 양 전극판(S1 및 S2)의 면적을 S로 하고, 스프링(SP)의 복원력(k△x)과 가동전극판(S1)에 작용하는 정전인력(F)이 균형잡혀 있는 것으로 하면, 다음 식(1)이 성립한다.
상기 식(1)을 변수 분리하면 ,
가 되기 때문에, 상기 식의 좌변 △x(g-△x)2를 미분하고, 경사 제로가 되는 변위를 구하면,
가 된다. 따라서, 가동전극판(S1)의 풀인변위(△XPULL-IN)와, 그 때의 풀인전압(VPULL-IN)은 다음 식(2) 및(3)으로 나타나게 된다.
상기 식(2) 및 (3)으로부터 이해할 수 있듯이, 가동전극판(S1)이 전극간 거리의 초기설정값인 g의 1/3을 초과하는 거리가 변위되면, 즉, 가동전극판(S1)이 식(2)으로 정해지는 풀인변위(△XPULL-IN)를 초과하면, 가동전극판(S1)은 고정전극판(S2)을 향해서 일거에 구동되어 고정전극판(S2)의 표면에 흡착되는 이른바 풀인현상이 발생한다. 동일한 현상을 구동전압으로부터 보면, 양 전극판 사이에 식(3)으로 정해지는 풀인전압(VPULL-IN) 이상의 구동전압을 인가하면, 가동전극판(S1)이 풀인변위(△XPULL-IN)를 초과하여 변위하기 때문에 풀인현상이 발생하고, 가동전극판(S1)은 고정전극판(S2)을 향해서 일거에 구동되어 고정전극판(S2)의 표면에 흡착된다. 이것에 대하여, 가동전극판(S1)에 인가되는 구동전압이 풀인전압(VPULL-IN) 미만이면, 가동전극판(S1)의 변위가 풀인변위(△XPULL-IN)에 도달하지 않으므로 풀인현상은 발생하지 않고, 가동전극판(S1)은 변위한 위치에 머물게 된다.
상기 식(1)의 좌변 및 우변에 각각 해당하는 복원력 및 정전인력과, 가동전극판(S1)의 변위와의 관계를 그래프로 도시하면, 도 10과 같이 된다. 이 도 10에 도시하는 예에서는 풀인전압은 95V이고, 이 이상의 전압이 인가되면, 정전인력쪽이 스프링의 복원력보다도 강해지므로 가동전극판(S1)은 고정전극판(S2)을 향해서 일거에 구동되어 고정전극판(S2)의 표면에 흡착된다. 이에 대하여, 가동전극판(S1)에 풀인전압보다 낮은 전압을 인가하면, 스프링의 복원력과 정전인력의 균형점은 변위 0과 변위 g/3(전극간 거리의 초기설정치 g의 1/3의 위치) 사이의 안정영역에 존재하므로, 가동전극판(S1)의 변위량은 풀인변위보다 작다. 따라서 가동전극판(S1)에 풀인변위를 초과하는 변위량을 부여하지 않는 한, 가동전극판(S1)이 고정전극판(S2)을 향해서 일거에 구동되는 풀인현상은 일어나지 않는 것을 이해할 수 있다. 또한, 상술한 정전구동 액추에이터의 상세에 대해서는, 동경대학 생산기술연구소의 도시요시 히로시 교수의 홈페이지 http://toshi.fujita3.iis.u-tokyo.ac.jp/onlinelecture/electrostaticl.pdf를 참조하기 바란다.
본 발명은 상기한 원리에 착안하여 상술한 구성의 정전구동 디바이스를 실현한 것이다. 또한, 도 9에서의 스프링(SP)은 상기 실시예의 가동전극판(2)을 이동 가능하게 지지하기 위한 복수개의 절곡부를 갖는 신축 가능한, 또한 가요성의 2개의 빔(프랙쳐)(21)에 대응한다.
도 2에 도시한 상기 실시예에서, 설계 제원의 1예를 도시하면 이하와 같다.
양 전극(2,8)의 면적(S)=1.09×10-7(m2), 전극간 거리의 초기 설정값(전압비인가시의 양 전극간 거리)(A)=1.80×10-4(m), 빔(21)의 스프링 정수(k)=5.04×10-3(N/m)의 정전구동 디바이스를 제조하면, 풀인전압(VPULL-IN)=94.6(V)가 된다. 따라서, 이 정전구동 디바이스의 가동전극판(2)과 고정전극 기판(8) 사이에 90V의 전압을 인가하여 가동전극판(2)을 구동한 바, 가동전극판(2)의 변위는 풀인 변위인 6×10-5m 미만이었다. 그 결과, 디바이스의 목적으로 하는 변위량을 얻을 수 있고, 게다가, 가동전극판(2)이 고정전극 기판(8)을 향해서 일거에 구동되어 고정전극 기판(8)의 표면에 흡착되는 풀인 현상이 전혀 발생하지 않는, 신뢰성이 높은 양호한 동작을 얻을 수 있었다.
이상의 설명에서 명백한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 마이크로 머시닝 기술을 사용해서 제조되는 정전구동 디바이스의 대략 평행하게 대향 배치된 가동전극판과 고정전극 기판 사이에 풀인전압보다 작은 구동전압을 인가하여 가동전극판을 정전구동하도록 구성했으므로, 가동전극판은 풀인 변위 미만의 위치로 변위한 상태에 머문다. 따라서, 가동전극판이 고정전극 기판을 향해서 일거에 구동되어 고정전극 기판과 접촉하는 일이 없게 되고, 또, 고정전극 기판 상면의 절연체층이 대전되어, 이 대전에 의해 가동전극판에 정전 흡인력이 작용한다는 현상도 발생하지 않는다. 그 결과, 구동전압의 인가를 정지하면, 가동전극판은 순식간에 원래의 위치로 복귀하기 때문에, 가동전극판을 순식간에 초기위치에서 변위위치로, 또, 변위위치에서 초기위치로 전환 구동할 수 있어, 안정된 동작의, 또한 신뢰성이 상당히 높은 정전구동 디바이스를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명을 도시한 바람직한 실시예에 대하여 기재했는데, 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈하지 않고, 상술한 실시예에 관하여 여러 가지의 변형, 변경 및 개량이 이루어질 수 있는 것은 이 분야의 기술자에게는 자명할 것이다. 따라서 본 발명은 예시의 실시예에 한정되는 것이 아니고, 첨부된 특허청구의 범위에 의해 정해지는 본 발명의 범위내에 들어가는 모든 그러한 변형, 변경 및 개량도 포함하는 것이라는 것을 이해해야 한다.

Claims (2)

  1. 마이크로 머시닝 기술로 제조되고, 고정전극 기판과, 이 고정전극 기판에 대해 거의 평행하게 배치되는 가동전극판과, 이 가동전극판을, 상기 고정전극 기판에 접근하는 방향 및 상기 고정전극 기판으로부터 이격되는 방향으로 이동 가능하게 지지하는 수단을 구비하는 정전구동 디바이스에 있어서,
    상기 고정전극 기판과 상기 가동전극판 사이에 풀인전압보다 작은 구동전압을 인가하여 상기 가동전극판을 정전구동하는 것을 특징으로 하는 정전구동 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 구동전압을 인가하지 않을 때의 상기 가동전극판과 상기 고정전극 기판 사이의 전극간 거리가, 상기 풀인전압보다 작은 구동전압에 의해 정전구동되었을 때에 상기 가동전극판이 이동하는 거리의 3배보다 큰 값으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 정전구동 디바이스.
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