KR20040038555A

KR20040038555A - 미세전자기계적 시스템 기술을 이용한 고주파 소자

Info

Publication number: KR20040038555A
Application number: KR1020020067556A
Authority: KR
Inventors: 강성원; 정성혜; 양우석; 김윤태
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2004-05-08
Also published as: KR100492004B1; US6750742B2; US20040085166A1

Abstract

본 발명은 동작 전압을 낮추면서도 동작 속도를 향상시킬 수 있어 이동통신 분야에 적용이 가능한 미세전자기계적 시스템 기술을 이용한 고주파 소자를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 지지되며, 그 일부가 상기 기판과 비접촉 상태를 유지하며 엑츄에이터를 이루는 제1전극; 및 상기 기판의 주면과 일정 간격 만큼 이격된 채로 상기 제1전극과 그 일부가 오버랩되어 엑츄에이터를 이루는 제2전극을 구비하며, 상기 제1전극과 상기 제2전극 간에 유발된 정전기적 인력에 의해 상기 제1전극과 상기 제2전극의 접점을 이루는 MEMS 기술을 이용한 고주파 소자를 제공한다.

또한, 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 지지되며, 그 일부가 상기 기판과 비접촉 상태를 유지하며 엑츄에이터를 이루는 제1전극; 상기 기판의 주면과 일정 간격 만큼 이격된 채로 상기 제1전극과 그 일부가 오버랩되어 엑츄에이터를 이루는 제2전극; 및 상기 기판의 주면과 일정 간격 만큼 이격된 채로 상기 제2전극과 그 일부가 오버랩되어 엑츄에이터를 이루는 제3전극을 구비하며, 상기 제1전극과 상기 제2전극 간의 유발된 정전기적 인력과 상기 제2전극과 상기 제3전극 간의 정전기적 척력에 의해 상기 제1전극과 상기 제2전극의 접점을 이루는 MEMS 기술을 이용한 고주파 소자를 제공한다.

Description

미세전자기계적 시스템 기술을 이용한 고주파 소자{Radio frequency device using microelectronicmechanical system technology}

본 발명은 고주파 소자에 관한 것으로, 특히 미세전자기계적 시스템(MicroElectronicMechanical System; 이하 MEMS라 함) 기술을 이용한 고주파 소자에 관한 것이다.

일반적으로, MEMS 기술은 마이크로머신, 마이크로시스템, 초소형 정밀기계 기술 등으로 불리우며, 웨이퍼를 가공하여 초소형 3차원 구조물을 제작하는데 사용되고 있다.

이러한 MEMS 기술을 고주파(Radio frequency)분야에 응용하기 위한 기술은 주로 무선통신과 국방분야에서 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 저손실 고주파 스위치(Low-loss RF switch)와 저손실 필터(Low-loss filter)는 무선통신 분야의 집중적인 관심을 받고 있다.

저손실 고주파 스위치는 정전기력을 이용하는 방법으로 보(Beam)가 좌우로움직이는 방식과 상하로 움직이는 방식이 있고, 이 두 방식은 직류전류가 흐를수 있느냐에 따라 직접 접촉식 스위치(Direct contact switch 또는 저항형 스위치(Resistive switch))와 용량형 스위치(Capacitive switch)로 구분된다.

이러한 기존의 저항형 또는 용량형 MEMS 스위치는 기판에 장착되며, 신호라인인 하부전극과의 정전기력(Electrostatic force)에 의해 움직이는 즉, 엑츄에이터(Actuator) 역할을 하는 상부전극이 켄티레버(Cantilever) 형태나 멤브레인(Membrane)형태로 구성되며, 이러한 상부전극이 정전기적 인력에 의해 하부전극과 연결되어 고주파 신호가 전달되는 원리를 이용한다..

저항형 MEMS 스위치의 경우, 현재 이동통신 영역에서 구동 가능한 동작 전압인 3V 이하에 동작하도록 구현하고자 할 경우, 스프링 상수(Spring constant) 'k'를 1N/m ∼ 3N/m 정도로 충분히 작게 가져가야 한다. 이를 위해서는 스위치를 구성하는 물리적 길이(Physical length)가 500㎛ 이상으로 길어져야 한다. 결국, 이러한 물리적 길이의 증가는 MEMS 스위치 소자의 신뢰성(Reliability)을 떨어뜨리며, 스위칭 시간(Switching time)이 수 미리초(㎳) 정도로 높은 값을 갖도록 한다.

한편, 소자의 물리적인 길이를 줄일 경우, 동작 전압이 높아지는 문제를 나타내므로, 이러한 문제점을 개선하기 위해 물리적 길이는 줄이면서 스프링 상수는 작게 구현하는 연구가 진행되고 있다.

용량형 MEMS 스위치의 경우 수 마이크로초(㎲)의 고속 스위치로 동작하기 위해서는 20V 이상의 높은 구동 전압이 요구되어진다.

이를 위해 엑츄에이터에 공기 구멍(Air hole)을 뚫어 질량을 줄이거나, 엑츄에이터의 형태를 변화시켜 스프링 상수를 작게함으로써 동작 전압을 낮추고 스위칭 속도를 개선하려는 노력이 강구되었다.

전술한 바와 같이, 고주파 영역까지 작동 가능한 스위치를 이동통신 단말기에 적용코자 하기 위해서는 낮은 동작 전압과 빠른 스위칭 시간이 요구되고 있다.

용량형 MEMS 스위치의 경우, 스위칭 속도가 4 ∼ 6㎲의 고속 스위치로 동작 하기 위해서는 50V정도의 고전압을 가해 주어야만 한다[Z. Jamie Yao, Shea Chen, Susan Eshelman, David Denniston and Chuck "Micromachined low-loss microwave switches", IEEE Journal of microelectromechanical systems, vol. 8, pp. 129, 1999. 참조].

한편, 이러한 고전압으로 동작하는 용량형 스위치를 저전압에서 동작하도록 구현하고자 할 경우, 브리지(Bridge) 구조의 형태 변화에 따른 스위치 동작 특성의 최적화와, 동작 전압(Operating voltage)을 낮추기 위해서는 에어 갭 (Air gap)의 간격을 더욱 작게 가져 갈 필요가 있다. 그러나, 에어 갭의 간격을 줄이게 되면, 고주파 신호의 분리도(Isolation)가 열화되기 때문에 에어 갭의 간격을 1㎛ ∼ 4㎛ 정도로 유지하여야 한다[J.-M. Huang, K. M. Liew, C. H. Wong, S. Rajendran, M. J. Tan and A. Q. Liu "Mechanical design and optimization of capacitive micromachined switch", Sensors and actuators A 93 pp.273, 2001. 참조].

특히, 용량형 MEMS 스위치의 경우, 온(ON)시와 오프(OFF)시 정전용량의 비가 클 수록 스위치 특성이 개선되므로, 이를 위해 보다 높은 유전율을 갖는 유전체를 적용하기도 한다[G. M. Rebeiz and J. B. Muldavin, "RF MEMS switches and switchcircuit", IEEE microwave magazine, vol. 2, pp. 67, 2001. Wallace W. martin, Yu-Pei Chen, Byron Williams, Jose Melendez and Darius L. Crenshaw, "Microelectromechanical switch with fixed metal electrode dielectric interface with a protective cap layer", US Patent No. 6,376,787, Apr. 2002. 참조].

그러나, 용량형 MEMS 스위치의 경우 20V 이상의 여전히 높은 구동 전압에서 구동되는 특성을 나타내며, 저항형 MEMS 스위치의 경우 현재 이동통신 영역에서 구동 가능한 동작 전압인 3V 이하로 구현하고자 할 경우 스프링 상수 'k'를 1N/m ∼ 3 /m 정도로 충분히 작게 가져가야 하기 때문에 스위치를 구성하는 물리적 길이가 500㎛ 이상으로 길어지게 되어, 소자의 신뢰성과 스위칭 속도 특성에 큰 문제점을 갖고 있다[Robert Y. Loo, Adele Schmitz, Julia Brown, Jonathan Lynch, Debabani Cohoudhury, James Foshaar, Daniel J. Hyman, Juan Lam, Tsung-Yuan Hsu, Jae Lee, Mehran Mehregany "Design and fabrication of broadband surface-micromachined micro-electro mechanical switches for microwave and millimeter wave applications," US Patent No. 6,046,659, Apr. 2000. L. R. Sloan, C. T. Sullivan, C. P. Tigges, C. E. Sandowal, D. W. Palmer, S. Hietala, T. R. Christenson, C. W. Dyck, T. A. Plut, and G. R. Schuster"RF Micromechanical Switchs that can be post processes on commercial MMIC" Electric component and Technology conference 2001. 참조].

한편, 소자의 물리적인 길이를 줄일 경우 동작 전압이 높아지는 문제점으로인해 새로운 물질을 찾는 연구와 정전기력을 이용한 새로운 구조의 MEMS 스위치에 관한 연구를 진행하고 있다. 새로운 물질을 찾아야 하는 관점에서 본다면, 낮은 전압에서 동작하기 위해서는 멤브레인(Membrane)을 형성하고 있는 면적은 크게, 질량은 작게 가져 가야 하는 상반된 조건이 따른다.

이하, 전술한 바와 같은 종래의 저항형과 용량형의 MEMS 스위치를 구체적인 예를 들어 살펴 본다.

도 1은 통상적인 멤브레인 형태의 용량형 스위치를 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 용량형 스위치를 a-a' 방향으로 절취한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 부도체(Insulator)성, 반부도체(Semi-insulator 또는 반도체)성 또는 고분자(Polymer)성 등의 성질을 갖는 기판 (Substrate, 10)에 일반적인 포토(Photolithography), 식각(Etching), 증착 (Deposition) 및 리프트 오프(Lift-off)와 같은 미세제조 공정기술(Microfabrication process technique)에 의해 제조된 종래의 용량형 스위치(18)가 제공된다.

용량형 스위치(18)는 크게 두 부분, 즉 기판(10) 상에 고착되는 부분(Fixed part)과 기계적 움직임을 하는 부분 즉, 엑츄에이팅 부분(Actuating part, 이하 엑츄에이터라 함)으로 구성된다.

기판(10)에 고착되는 부분으로는 절연층(11)과 하부전극(12)과 용량형 유전체층(13)과 접지면(17)으로 구성되며, 엑츄에이터는 상부전극(15)으로 구성된다.

구체적으로, 기판(10)에 절연층(11)이 형성되어 있고, 기판(10) 내부에 형성된 활성영역(도시하지 않음) 또는 전도층과 연결되는 다수의 접지면(17)이 금속배선을 통해 구현 및 배치되어 있으며, 접지면(17) 사이에 하부전극(12)이 배치되어 있으며, 하부전극(12)상에는 하부전극(12)을 감싸는 유전체층(13)이 배치되어 있다. 유전체층(13) 상부에는 절연층(11)의 양단에 배치된 지지부재(14)에 의해 지지되도록 상부전극(15)이 배치되어 있다. 따라서, 상부전극(15)은 그 하부에 형성된 동공(Cavity)에 의해 하부의 유전체층(13)과 일정 간격(d)을 갖는 멤브레인 구조를 이루고 있다.

상부전극(15)은 엑츄에이터로서 자신에게 전압이 인가되면, 하부전극(15)과의 전위차이에 의해 발생된 정전기력(정전기적 인력)에 의해 하부전극(12) 방향으로 당겨져 유전체층(13)과 접촉하게 된다.

이 때, 상부전극(15)과 하부전극(12)은 각각 Al, Cu 등의 금속을 이용하여 형성되므로, 상부전극(15)과 유전체층(13) 및 하부전극(12)은 금속과 금속 사이에 유전체가 있는 금속전극을 갖는 캐패시터(MIM 캐패시터)를 이루게 된다. 따라서, 하부전극(12)을 통해 인가된 고주파(RF)신호 성분인 외부 신호는 캐패시터를 통해 차단(Shunt)되며, 접지면(17)은 고주파 및 직류전압(DC)의 접지(Ground) 역할을 하게 된다.

도 2에서, 상부전극(15)과 하부전극(12)이 동공(16) 즉, 'd'의 간격을 갖는 공기층으로 분리 되어 있을 경우, 고주파 신호는 하부전극(12)으로 전달된다. 이 때 유전체층(13)의 유전상수가 클 수록 용량값이 크게 되어 차단 특성이 좋아지며, 동공(16)의 간격(d)이 작을수록 스위치의 동작 전압이 낮아지게 된다.

그러나, 간격(d)을 낮출수록 스위치(18)의 고주파 신호 분리도(Isolation)는열악해지고, 또한 간격(d)을 낮추는 것 또한 공정 상의 한계에 부딪치게 된다.

도 3은 통상적인 멤브레인 형태의 저항형 스위치를 도시한 평면도이고, 도 4는 도 3의 저항형 스위치를 b-b' 방향으로 절취한 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 저항형 스위치(28)는 기판(20)에 고착되는 하부전극(21) 및 지지부재(22)와, 엑츄에이터인 접촉패드(23)와 절연형 멤브레인(24) 및 상부전극(26)으로 구성된다.

구체적으로, 기판(20)에 복수의 하부전극(21)이 배열되어 있고, 하부전극(21) 상부에는 기판(20)의 양단에 배치된 지지부재(22)에 의해 멤브레인(24)이 배치되어 있다.

여기서, 멤브레인(24)은 통상의 압축 신장 특성을 갖는 질화막 계열의 물질을 사용하며, 그 하부에 형성된 동공(25)에 의해 공기층으로 된 하부의 하부전극(21)과 일정 간격을 가지며, 이러한 멤브레인(24)의 하부전극(21)과 대향하는 면에 접촉패드(23)가 배치되어 상부전극(26)과 하부전극(21) 정전기력(정전기적 인력)에 의해 멤브레인(24)이 하부전극 방향으로 당겨짐에 따라 하부전극(21)과 접촉하게 된다. 멤브레인(24)의 하부전극(21)과 대향하지 않는 면 즉, 멤브레인(24) 상부에는 상부전극(26)이 배치되어 있다.

도 3의 신호선(27)을 통해 입력된 고주파 신호가 입력되는 하부전극(21)과 접촉패드(23)가 도 4와 같이 동공(25)에 의해 분리된 상태가 차단상태(Off-state)이고, 상부전극(26)에 직류전압을 인가하면 하부전극(21)과 상부전극(26)과의 정전기적 인력에 의해 멤브레인(24)이 하부전극(21)을 향하여 움직여서 하부전극(21)과접촉패드(23)가 접촉된 상태가 연결상태(On-state)이다.

이 때, 상부전극(26)에 인가된 직류전압을 차단하면 지지부재(22)에 의해 기판(20)의 양끝이 고정된 멤브레인(24)의 탄성복원력(Elastic restoring force)에 의해서 하부전극(21)과 접촉패드(23)가 분리되어 차단상태로 전환되며, 도 4와 같은 차단상태에서는 하부전극(21)에 인가된 고주파 신호가 접촉패드(23)와 분리되어 있어 신호가 흐르지 않게 된다.

한편, 이러한 멤브레인 형태의 저항형 스위치 구조에서는 저 전압형으로 구현하기 위해 멤브레인(24)의 스프링 상수 'k'를 작게 가져가야 한다. 그러나, 멤브레인(24)의 스프링 상수 'k'를 작게 가져가기 위해서는 상부전극(26)과 멤브레인(24)의 물리적인 길이가 길어져야 하며, 이에 따라 동작 전압은 낮아지나 복원력에 의해 차단상태로 돌아 가는 시간이 길어지게 된다.

이러한 물리적 크기와 동작 전압과의 상관 관계에 의해 저 전압형 고속 스위치 형성 자체가 어려운 특성을 갖고 있다.

앞에서 살펴본 바와 같이, 저항형 및 용량형 MEMS 스위치를 이동통신 분야에 적용하기 위해서는 고속 및 저전압 동작이 필수적이며, 이를 위해서는 각각 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.

즉, 저항형 스위치의 경우, 멤브레인 또는 켄틸레버형 모두 엑츄에이터의 스프링 상수를 낮추면서도 그 길이를 줄일 수 있어야 하며, 용량형 스위치의 경우, 온-오프시의 용량비를 높이고 에어 갭을 낮출 수 있어야 하며, 특히 동작 전압을 낮추는 것이 필수적이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 동작 전압을 낮추면서도 동작 속도를 향상시킬 수 있어 이동통신 분야에 적용이 가능한 미세전자기계적 시스템 기술을 이용한 고주파 소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 통상적인 멤브레인 형태의 용량형 스위치를 도시한 평면도.

도 2는 도 1의 용량형 스위치를 a-a' 방향으로 절취한 단면도.

도 3은 통상적인 멤브레인 형태의 저항형 스위치를 도시한 평면도.

도 4는 도 3의 저항형 스위치를 b-b' 방향으로 절취한 단면도.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 용량형 MEMS 스위치를 도시한 평면도.

도 6은 도 5의 MEMS 스위치를 도시한 사시도.

도 7은 도 5를 x-x' 방향으로 절취한 용량형 MEMS 스위치의 단면도.

도 8은 도 5를 y-y' 방향으로 절취한 용량형 MEMS 스위치의 단면도.

도 9는 상기 도 5의 x-x' 방향에 대응하는 단면도.

도 10은 상기 도 5의 y-y' 방향에 대응하는 단면도.

도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 용량형 MEMS 스위치를 도시한 단면도.

도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 용량형 MEMS 스위치를 도시한 단면도.

도 13은 본 발명의 제5실시예에 따른 저항형 MEMS 스위치를 도시한 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명

50 : 기판51 : 제1전극

52 : 유전체층53 : 접지면

54 : 제2전극55 : 지지부재

56 : 기판이 식각된 형태

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 지지되며, 그 일부가 상기 기판과 비접촉 상태를 유지하며 엑츄에이터를 이루는 제1전극; 및 상기 기판의 주면과 일정 간격 만큼 이격된 채로 상기 제1전극과 그 일부가 오버랩되어 엑츄에이터를 이루는 제2전극을 구비하며, 상기 제1전극과 상기 제2전극 간에 유발된 정전기적 인력에 의해 상기 제1전극과 상기 제2전극의 접점을 이루는 MEMS 기술을 이용한 고주파 소자를 제공한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 지지되며, 그 일부가 상기 기판과 비접촉 상태를 유지하며 엑츄에이터를 이루는 제1전극; 상기 기판의 주면과 일정 간격 만큼 이격된 채로 상기 제1전극과 그 일부가 오버랩되어 엑츄에이터를 이루는 제2전극; 및 상기 기판의 주면과 일정 간격 만큼 이격된 채로 상기 제2전극과 그 일부가 오버랩되어 엑츄에이터를 이루는 제3전극을 구비하며, 상기 제1전극과 상기 제2전극 간의 유발된 정전기적 인력과 상기 제2전극과 상기 제3전극 간의 정전기적 척력에 의해 상기 제1전극과 상기 제2전극의 접점을 이루는 MEMS 기술을 이용한 고주파 소자를 제공한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

<제1실시예>

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 용량형 MEMS 스위치를 도시한 평면도이며, 도 6은 도 5의 MEMS 스위치를 도시한 사시도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 부도성, 반부도성 또는 고분자성 등의 특성을 갖는 기판(50) 상에 일반적인 포토, 식각, 증착 및 리프트 오프(litt-off)와 같은 공정을 통해 용량형 스위치(60)가 구현된다.

상기 용량형 스위치(60)는 엑츄에이터 즉, 움직이는 부분과 기판(50)에 고착되는 부분으로 구성되는 바, 본 실시예에서는 종래와 달리 외부신호가 인가되는 제1전극(51)가 제2전극(54)과 함께 엑츄에이터로 동작하게 한다. 이를 위해 본 실시예에서는 외부에서 신호를 인가받을 수 있도록 제1전극(51)을 층상(Stack)형으로 형성하고, 그 하부의 기판(50)을 식각하여 제1전극(51)이 멤브레인 또는 켄틸레버 구조를 갖도록 함으로써 엑츄에이터로 동작하도록 한다.

구체적으로, 고주파 성분의 외부신호 즉, 고주파 신호를 인가받는 제1전극(51)은 그 자체가 정전기력에 의해 휘어질 수 있도록 그 하부의 기판(50)이식각된 형태(56)로 기판(50)과 일정 간격을 갖도록 층상 구조로 제공되며, 제1전극(51)을 사이에 두고 기판(50) 상에 금속배선 등으로 구현된 두 개의 접지면(53)이 배치되어 있다. 여기서, 제1전극(51)과 접지면(53)은 x-x' 방향으로 배열되어 있다.

인접하는 두 접지면(53)에 각각 그 단부가 지지부재(55)를 통해 지지되며, 직류전압을 인가받는 제2전극(54)이 제1전극(51)과 평면상으로 교차 중첩되도록 y-y' 방향으로 배치되어 있으며, 제1전극(51)과 중첩 및 대향되는 제2전극(54)에 유전체층(52)이 배치되어 있다.

상기 제2전극(54)에 직류전압을 인가하면, 제2전극(54)과 제1전극(51) 간의 전기적 포텐셜 차이에 의해 정전기적 인력이 발생하여 제1전극(51)과 제2전극(54)이 동시에 휘어 두 전극 사이의 중앙 부근에서 만나는 접점을 이루게 되며, 이로 인해 제2전극(54) 하부의 유전체층(52)이 제1전극(51)과 직접적인 접촉을 하게 된다.

제1전극(51)과 제2전극(54)은 각각 Al, Cu 등의 금속으로 이루어지므로, 이 때, 제1전극(51)/유전체층(52)/제2전극(54) 구조의 금속전극 캐패시터를 형성하게 된다. 따라서, 제1전극(51)을 통해 인가된 고주파 신호는 상기 캐패시터를 통해 차단되며, 접지면(53)은 고주파 신호와 직류전압에 대한 접지 역할을 하게 된다.

여기서, 제1전극(51)과 제2전극(54)의 스프링 상수 'k'의 차이에 의해 제1전극(51)과 제2전극(54)이 움직이는 거리가 조정된다.

도 7은 도 5를 x-x' 방향으로 절취한 용량형 MEMS 스위치의 단면도이고, 도8은 도 5를 y-y' 방향으로 절취한 용량형 MEMS 스위치의 단면도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 층상형의 제1전극(51)은 일체형으로서, 그 양측이 기판(50)에 의해 지지되고 있다. 또한, 제1전극(51)은 그 하부에 동공(57)을 갖는 멤브레인 형태이다. 제2전극(54) 또한 지지부재(55)에 의해 기판(50)에 고정 및 지지되고, 제1전극(51)과 일정 간격의 에어 갭(58)을 갖는 멤브레인 구조이다.

따라서, 본 실시예에서는 제1전극(51)과 제2전극(54)이 동시에 움직이므로 종래와 같이 제1전극(51)이 기판(50)에 고정되어 있고 제2전극(54) 만이 움직이던 경우에 비해 제2전극(54)이 움직이는 거리를 1/2 정도로 짧게 할 수 있다.

또한, 제1전극(51)과 제2전극(54)이 동시에 움직일 경우, 종래에 비해 두 전극 간에 만나는 시간 즉, 접촉 시간(스위칭 시간)이 줄어 들게 된다.

종래의 용량형 MEMS 스위치의 경우 작동전압이 높은 데 반하여, 본 실시예의 구조로 가져 갈 경우 두 전극(51, 54)간 거리가 좁혀졌기 때문에 동작 전압을 낮추어도 스위칭이 이루어 진다. 그러므로, 저전압 고속의 스위칭 동작이 가능하다.

<제2실시예>

도 9 및 도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 저항형 MEMS 스위치의 단면도이다.

도 9는 상기 도 5의 x-x' 방향에 대응하는 단면도이며, 도 10은 상기 도 5의 y-y' 방향에 대응하는 단면도로서, 상기 도 5의 용량형 MEMS 스위치와 동일한 구성을 가지는 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하였다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 층상형의 제1전극(51)은 분리형으로서 그 일측이기판(50)에 의해 지지되고 있으며, 그 하부에 동공(57)을 갖는 켄티레버 형태이다. 제2전극(54)은 지지부재(55)에 의해 기판(50)에 고정 및 지지되고 제1전극(51)과 일정 간격의 에어 갭(58)을 갖는 멤브레인 구조이다.

도면의 간략화를 위해 도 7 및 도 8과 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하였으며, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 9 및 도 10은 저항형이므로 제2전극(54)의 제1전극(51)과 대향하는 면에는 전도성을 갖는 접촉패드(59)가 배치되어 있으며, 접촉패드(59)와 제2전극(54) 사이에는 절연층(61)이 게재되어 있다.

절연층(61)은 켄티레버 절연층이라고도 하며, 저항형 MEMS 스위치에서 두 전극(51, 54)이 접촉하는 부분으로서, 제2전극(54)에서 인가된 직류전압이 고주파 신호라인인 제1전극(51)으로 흘러가지 못하도록 하는 역할을 한다.

제2전극(54)에 직류전압을 가할 경우, 제1전극(51)과 제2전극(54) 사이에 정전기적 인력이 발생하여 두 전극(51, 54)이 모두 휘어 접촉패드(59)가 만나도록 하는 스위칭 동작을 하게 된다.

이 경우에도 전술한 도 7 및 도 8의 경우와 마찬가지로, 신호라인인 제1전극(51)이 고정되어 있는 종래기술에 비해 제1전극(51)의 일부가 제2전극(54)과 같이 구동되어 움직이므로, 결국 스위칭 거리(Path)가 짧아짐으로 인해 스위칭 시간이 빨라 진다.

따라서, 기존의 저항형 MEMS 스위치의 경우 저 전압으로 구동 되지만, 스위칭 속도가 수 ㎛ 정도이므로 이동통신 등에 적용하기에는 부적절한 면이 있었으나,본 발명에서는 이러한 낮은 스위칭 속도를 개선할 수 있다.

<제3실시예>

도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 용량형 MEMS 스위치를 도시한 단면도이며, 도 7과 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용한다.

도 11을 참조하면, 상기 도 7과 달리 제1전극(51)과 제2전극(54)의 위치가 서로 바뀐 것으로, 자신의 하부에서 기판(50)과의 사이에 동공(57)이 형성된 제2전극(54)이 멤브레인 구조로 배치되어 있으며, 제2전극(54)의 상부에 일체형의 제1전극(51)이 기판(50) 상의 고정부재(62)와 지지부재(63)에 의해 그 양측이 지지되어 제2전극(54)과의 사이에 일정 간격의 에어 갭(58)을 갖도록 멤브레인 구조로 배치되어 있다.

전술한 도 11의 용량형 MEMS 스위치의 제2전극(54)에 직류전압을 인가하면, 제2전극(54)과 제1전극(51) 간의 전기적 포텐셜 차이에 의해 정전기력이 발생하게 되며, 이로 인해 제1전극(51)과 제2전극(54)이 동시에 휘어 둘 사이의 중앙 부근에서 만나는 접점을 이루게 된다. 따라서, 제2전극(54)의 제1전극(51)과 대향되는 면에 배치된 유전체층(52)이 제1전극(51)과 직접적인 접촉을 하게 된다.

따라서, 제1전극(51)과 제2전극(54)은 각각 Al, Cu 등의 금속으로 이루어지므로, 제1전극(51)/유전체층(52)/제2전극(54) 구조의 금속전극 캐패시터를 형성하게 된다. 따라서, 제1전극(51)을 통해 인가된 고주파 신호는 상기 캐패시터를 통해 차단되며, 접지면(53)은 고주파 신호와 직류전압에 대한 접지 역할을 하게 된다.

<제4실시예>

도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 용량형 MEMS 스위치를 도시한 단면도로서, 도 9의 제1전극과 제2전극의 위치가 서로 바뀐 형태이다. 여기서. 도 9와 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용한다.

도 12를 참조하면, 상기 도 9와 달리 제1전극(51)과 제2전극(54)의 위치가 서로 바뀐 것으로, 자신의 하부에서 기판(50)과의 사이에 동공(57)이 형성된 제2전극(54)이 멤브레인 구조로 배치되어 있으며, 제2전극(54) 상부에 분리형의 제1전극(51)이 기판(50) 상의 고정부재(64)와 지지부재(65)에 의해 그 양측이 지지되어 제2전극(54)과의 사이에 일정 간격의 에어 갭(58)을 갖도록 켄티레버 구조로 배치되어 있다.

제2전극(54)은 그 양측이 기판(50)에 고정 및 지지되어 있으며, 도 12는 저항형이므로 제2전극(54)의 제1전극(51)과 대향하는 면에는 전도성을 갖는 접촉패드(59)가 배치되어 있으며, 접촉패드(59)와 제2전극(54) 사이에는 절연층(61)이 개재되어 있다.

절연층(61)은 켄티레버 절연층이라고도 하며, 저항형 MEMS 스위치에서 두 전극(51, 54)이 접촉하는 부분으로 제2전극(54)에서 인가된 직류전압이 고주파 라인인 제1전극(51)으로 흘러가지 못하게 한다

제2전극(54)에 직류전압을 가할 경우, 제1전극(51)과 제2전극(54) 사이에 정전기적 인력이 발생하여 두 전극(51, 54)이 모두 휘어 접촉패드(59)가 제1전극(51)과 만나 스위칭 동작을 하게 된다.

따라서, 신호라인인 제1전극(51)이 고정되어 있는 종래기술과는 달리, 여기서는 제2전극(54)과 동시에 제1전극(51)의 일부가 같이 구동되므로, 결국 스위칭 거리가 짧아져 스위칭 시간이 빨라지게 된다.

<제5실시예>

도 13은 본 발명의 제5실시예에 따른 저항형 MEMS 스위치를 도시한 단면도로서, 도 7의 용량형 MEMS 스위치가 변형된 형태이다. 여기서, 도 7과 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용한다.

도 13을 참조하면, 도 7과 동일하게 층상형의 제1전극(51)은 일체형으로서, 그 양측이 기판(50)에 의해 지지되어 있으며 자신의 하부에 동공(57)을 갖는 멤브레인 형태이다. 제2전극(54) 또한 지지부재(도시하지 않음)에 의해 기판(50)에 고정 및 지지되고, 제1전극(51)과 간격 'd1'의 에어 갭(58)을 갖는 멤브레인 구조이다. 제1전극(51)과 평면상으로 교차 중첩되며, 제1전극(51)과 중첩 및 대향되는 제2전극(54)에 제1유전체층(52)이 부착되어 있다.

도 13은 상기한 바와 같이, 도 7과 동일한 구조 상부에 제3전극(67)을 더 포함하고 있으며, 제3전극(67)의 제2전극(54)과 대향되는 면에 제2유전체층(66)을 더 포함하고 있다. 제3전극(67)은 제2전극(54)과 간격 'd2'의 에어 갭(68)을 갖는 멤브레인 구조이다.

제1전극(51)과 제2전극(54) 및 제3전극(67)은 모두 멤브레인 구조이며, 제2전극(54)과 제3전극(67)은 모두 직류전압이 인가된다.

따라서, 제2전극(54)과 제3전극(67)에 동시에 직류전압(동작전압)을 인가하면, 제2전극(54)과 제3전극(67) 간에는 같은 전위가 형성 되어 반발력 즉, 정전기적 척력을 형성하여 제2전극(54)이 제1전극(51) 방향으로 밀려나고, 제1전극(51)과 제2전극(54)전극 간에는 서로 다른 전위에 의한 정전기적 인력이 작용하게 된다.

이로 인해, 제1전극(51)과 제2전극(54)이 동시에 휘어 접촉됨으로써 형성된 제1전극(51)/제1유전체층(58)/제2전극(54)으로 이루어지는 금속전극 구조의 캐패시터에 의해 고주파 신호가 차단되어 진다.

<제6실시예>

도 14는 본 발명의 제6실시예에 따른 MEMS 스위치를 도시한 단면도로서, 도 9의 용량형 MEMS 스위치가 변형된 형태이가. 여기서, 도 9 및 도 13과 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용한다.

도 14를 참조하면, 도 9와 동일하게 제1전극(51)은 분리형으로서, 그 일측이 기판(50)에 의해 지지되고 그 하부에 동공(57)을 갖는 켄티레버 형태이다. 제2전극(54)은 지지부재(도시하지 않음)에 의해 기판(50)에 고정 및 지지되어 있으며, 제1전극(51)과 간격 'd1'의 에어 갭(58)을 갖는 멤브레인 구조이다.

제1전극(51)과 평면상으로 교차 중첩되며 제1전극(51)과 중첩 및 대향되는 제2전극(54)에 접촉패드(58)가 배치되어 있으며, 접촉패드(58)와 제2전극(54) 사이에는 절연층(61)이 개재되어 있다.

이렇듯, 도 14는 도 9와 동일한 구조 상부에 제3전극(67)을 더 포함하고 있으며, 제3전극(67)의 제2전극(54)과 대향되는 면에 유전체층(69)이 부착되어 있으며, 제3전극(67)은 제2전극(54)과 간격 'd2'의 에어 갭(68)을 갖는 멤브레인 구조이다.

여기서, 제1전극(51)은 켄티레버 구조이고, 제2전극(54)과 제3전극(67)은 멤브레인 구조이며, 제2전극(54)과 제3전극(67)은 모두 직류전압이 인가된다.

따라서, 제2전극(54)과 제3전극(67)에 동시에 구동전압을 가하면, 제2전극(54)과 제3전극(67) 간에는 같은 전위가 형성 되며, 이로 인해 두 전극 간에 정전기적 척력이 발생하여 제2전극(54)은 제1전극(51) 방향으로 밀려나게 된다. 이 때, 제1전극(51)과 제2전극(54) 간에는 서로 다른 전위가 형성되며, 이로 인해 두 전극 간에는 정전기적 인력이 작용하여 서로 상대편을 향해 동시에 휘어지게 된다.

도 14에서는 제1전극(51)과 제2전극(54)이 접촉되어 고주파 신호가 전송되도록 하는 스위칭 동작이 제1전극과 제2전극간의 인력 뿐만아니라, 제2전극과 제3전극간의 척력(반발력)이 동시에 작용하도록 함으로써, 인력만을 이용하는 도 9에 비해 동작 속도(스위칭 속도)를 더 빠르게 하여 두 전극을 접촉하게 해 주는 장점이 있으며, 스위치를 오프(Off)시킬 때 일반적으로 제1전극(51)과 제2전극(54) 간의 척력에 의해 복원되지만, 제3전극(67)에만 전압을 가할 경우 인력에 의해 제2전극(54)을 제3전극(67) 방향으로 당겨주므로 보다 빨리 오프시킬 수 있게 되어, 오프시에도 그 동작 속도를 빠르게 할 수 있다.

상술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 기존에 용량형 MEMS 스위치가 가지고 있던 높은 동작전압을 낮은 동작전압으로, 저항형 MEMS 스위치의 경우 저속 스위칭 시간을 고속 스위칭으로 구현 할 수 있는 구조를 갖는 MEMS 스위치를 제공하는 바, 신호라인인 제1전극의 일부를 멤브레인 또는 켄티레버 구조를 갖는 엑츄에이터로 구현하여 제2전극과 같이 구동 시키면, 기존의 저항형 또는 용량형 MEMS 스위치들이 가지고 있는 문제점들을 개선할 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.

예컨대, 보다 효과적으로 스위칭 시간과 동작 전압을 낮추어 주기 위한 본 발명을 구현하기 위한 하나의 실시예에서는, 기존에 기판에 고정 되어 있는 하부전극(신호라인)의 일부 밑면의 기판을 식각하여 신호라인의 일부를 멤브레인 형태로 구현하여 상부전극에 의한 정전기력에 의해 하부전극의 일부가 당겨져 올라가 에어 갭을 줄여주는 효과 즉, 상부전극과 하부전극의 접촉 스위칭 시간을 줄여 주며, 풀-인(Pull-in) 전압을 낮춘다.

통상적으로 200 ×100㎛²이하의 작은 물리적 길이를 갖는 멤브레인을 구성하여 용량형 또는 저항형 MEMS 스위치를 구현할 경우, 동작 전압이 20V 이상에서 통상 10㎲ 이하의 스위칭 시간의 구현이 가능하다. 그러나, 이를 이동통신 시스템에 적용코자 할 경우 적어도 3V 이하의 동작 전압에서 1㎲ 정도의 빠른 스위칭 시간이 요구된다.

따라서, 본 발명에서는 보다 저전압 하에서의 고속 스위칭 동작을 위해, 일부 하부전극(신호라인)의 하부의 기판을 일부 플라즈마를 이용한 후면 기판 식각 공정을 통해 식각하여 상부전극에 의한 정전기적 인력에 의해 상부전극과 하부전극이 동시에 휘어서 접촉되도록 함으로써, 에어 갭을 줄여주는 효과 즉, 상부전극과 하부전극의 접촉 스위칭 시간을 줄일 수 있도록 하고, 이로 인해 동작전압 예컨대,풀-인 전압을 낮출 수 있도록 한다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

예컨대, 위에서 언급한 본 발명의 기술은 제1전극과 제2전극 간의 접촉을 이용하는 스위치 이외의 다양한 MEMS 소자에 적용이 가능하다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 신호라인을 엑츄에이터로 구현함으로써, 저전압 동작과 빠른 동작을 수행할 수 있어, MEMS 소자를 이동통신 분야 등 다양한 분야로 그 활용 범위를 넓힐 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.

Claims

기판;

상기 기판 상에 지지되며, 그 일부가 상기 기판과 비접촉 상태를 유지하며 엑츄에이터를 이루는 제1전극; 및

상기 기판의 주면과 일정 간격 만큼 이격된 채로 상기 제1전극과 그 일부가 오버랩되어 엑츄에이터를 이루는 제2전극을 구비하며,

상기 제1전극과 상기 제2전극 간에 유발된 정전기적 인력에 의해 상기 제1전극과 상기 제2전극의 접점을 이루는 MEMS 기술을 이용한 고주파 소자.
기판;

상기 기판 상에 지지되며, 그 일부가 상기 기판과 비접촉 상태를 유지하며 엑츄에이터를 이루는 제1전극;

상기 기판의 주면과 일정 간격 만큼 이격된 채로 상기 제1전극과 그 일부가 오버랩되어 엑츄에이터를 이루는 제2전극; 및

상기 기판의 주면과 일정 간격 만큼 이격된 채로 상기 제2전극과 그 일부가 오버랩되어 엑츄에이터를 이루는 제3전극을 구비하며,

상기 제1전극과 상기 제2전극 간의 유발된 정전기적 인력과 상기 제2전극과 상기 제3전극 간의 정전기적 척력에 의해 상기 제1전극과 상기 제2전극의 접점을이루는 MEMS 기술을 이용한 고주파 소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제1전극과 상기 기판 사이에 일정 간격을 갖도록 상기 제1전극 하부의 상기 기판 일부가 식각된 것을 특징으로 하는 MEMS 기술을 이용한 고주파 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 제1전극으로 직류전압이 인가되며, 상기 제2전극으로 외부신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기술을 이용한 고주파 소자.
제 2 항에 있어서,

상기 제1전극으로 외부신호가 인가되며, 상기 제2전극 및 상기 제3전극으로 직류전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기술을 이용한 고주파 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 제1전극으로 외부신호가 인가되며, 상기 제2전극으로 직류전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기술을 이용한 고주파 소자.
제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 제2전극은, 상기 제1전극 상부에서 상기 제1전극과 일정 간격을 갖으며 교차 중첩되도록 자신의 양측이 지지부재에 의해 상기 기판에 지지된 것을 특징으로 하는 MEMS 기술을 이용한 고주파 소자.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 제1전극은, 일체형으로서 상기 기판과의 사이에 동공을 갖는 멤브레인(Membrane) 구조 또는 분리형으로서 상기 기판과 그 일측이 결합 및 지지되는 켄티레버(Cantilever) 구조인 것을 특징으로 하는 MEMS 기술을 이용한 고주파 소자.
제 8 항에 있어서,

상기 제2전극의 상기 제1전극과 대향되는 면에 배치된 유전체층을 더 포함하며, 상기 제1전극과 접촉될때 제1전극/유전체층/제2전극으로 이루어지는 캐패시터를 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
제 8 항에 있어서,

상기 제1전극과 상기 제2전극 간에 정전기적 인력이 발생하였을 경우, 상기 제1전극과 접촉되도록 상기 제1전극에 대향하는 상기 제2전극에 부착된 전도성 접촉패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.