KR20040103039A - 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계시스템 고주파 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치에 관한 것이다.

본 발명의 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치는 적층되는 여러 박막들을 지지하는 탄성지지보, 상기 탄성지지보위에 하부 전극, 상기 하부 전극 위에 구동력을 유발하는 압전 박막, 상기 압전 박막 위에 상부 전극 그리고 탄성지지보의 끝단 아래에 RF 입출력 전극부의 전기적 이음과 끊음을 조절하는 접극자, 이 접극자 일정 거리 아래 떨어진 바닥 부분에 RF 입력 전극부와 출력 전극부를 갖는 것을 특징으로 하는 고주파수 스위치로 이루어짐에 기술적 특징이 있다.

따라서, 본 발명의 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치는 전압을 인가하는 것 없이, 반도체 박막 제조 공정 조건을 조절함으로써 나타나는 잔류응력을 이용하여 스위치 동작 상태를 유지할 수 있는 단순하고 신뢰성 있는 고주파 스위치를 구현할 수 있고, 여러 층의 복잡한 적층 제조 공정을 거치지 않고, 전압 차이에 의한 압전 박막의 수축 구동력을 이용하여 스위치 비작동 상태를 능동적으로 일으키고 유지할 수 있어 종래의 접점이 붙어서 떨어지지 않아 문제점을 극복한 내구 신뢰성을 획기적으로 개선할 수 있고, 종래의 정전인력형 구조에서는 접극자와 입출력 전극 사이의 거리가 멀어지면 정전인력의 기본적인 물리법칙에 의해 인력이 거리의 역수에 비례하므로 접극자와 입출력 전극사이의 거리를 1~2 마이크로미터 정도의 근접 거리만이 가능하였었는데 압전체를 이용한 본 발명에서는 이러한 접극자 사이의 거리를 멀게 할 수 있어 비작동시 접극자와 입출력 전극 사이의 절연성 및 고주파 특성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치{RF MEMS switch using residual stress and piezo-driving force}

본 발명은 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 반도체 박막 제조 공정상에 나타나게 되는 잔류응력을 이용하여 스위치 작동 상태의 초기 상태를 유지하고, 종래 기술의 접점이 잘 떨어지지 않는 문제점을 개선하기 위해 압전 박막의 구동력을 이용하여 스위치 비작동상태를 능동적으로 개선하는 것에 관한 것이다.

최근 이동 통신 시스템 사용의 급증으로 인하여 이동 통신 단말기의 기술 개발은 다양한 기능과 소형화에 중점을 두고 있는 추세이다.

종래에는 FET나 핀 다이오드 같은 반도체 디바이스가 초고주파 스위치의 작동에 사용되어 왔다. 그러나 상기 반도체 디바이스는 삽입손실이 높고 고립도가 좋지 않은 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, Larson을 비롯한 여러 사람들이 1990년대 초반에 LSI를 기반으로 미세가공기술에 의하여 만들어진 스위치를 여러 가지로 개발해왔다. 상기 스위치는 기존의 반도체 소자로 이루어진 스위치와 비교하여 삽입손실이 낮고, 고립도가 높아 절연이 우수하며 극도로 높은 선형성을 가지는 특성이 있었다. 그러나 대부분의 미세가공기술에 의하여 만들어진 스위치는 정전 작용에 의해 동작하므로 높은 동작 전압이 필요하다는 문제점이 있었다.

상기 스위치들의 동작 전압은 대개 20V 이상이고 그 중 몇 스위치는 최소 8V의 전압이 요구되므로 소형화되고 있는 이동 통신 단말기에 적용하기 어려운 문제점이 있었다. 상기와 같은 높은 동작 전압을 필요로 하는 예를 들면 하기와 같다.

켄틸레버 형태의 휘는 가동 구조물을 이용한 미소 기전 초고주파 스위치(Proceeding of The 8th Int'l Conf. on Solid- State Sensors and Actuators(1995) J.J.Yao and M.F.Chang, pp.384-387.)에서 동작 전압은 28-50V이고 브릿지 형태의 휘는 가동 구조물을 이용한 미소 기전 초고주파 스위치(IEEE Microwave and Guided Wave Letters, C.Goldsmith 등, pp.269-271)에서 동작 전압은 50V이다.

그런데 동작 전압을 낮추기 위해서는 미세가공기술에 의하여 제조된 스위치의 전송선과 가동 접촉 전극 사이의 간격이 작아야 한다. 그러나 상기와 같이 구성하면 오프 캐패시턴스(C_off)를 증가시키게 되어 고립도가 나빠진다. 또한 동작 전압을 줄이기 위하여 가동 구조물의 기하학적 크기를 최적화하는 방법이 있지만, 상기 방법은 대부분의 경우 높은 잔류 응력을 발생시키는 문제점이 있다.

한편, 도 1은 종래 기술의 MEMS RF 스위치의 구조 평면도(미국특허, US6046659)이고, 도 2는 상기 MEMS RF 스위치의 비작동 상태의 구조 단면도로, 입력 전극(1), 입출력 연결 및 단선 조절 역할을 하는 접극자(armature)(3), 하부 전극과의 정전인력을 유발시키기 위한 상부 전극판(4), 상부 전극과의 정전인력을 유발시키기 위한 하부 전극판(5), 전기적 절연성 물질로 이루어져 상부 전극의 상면을 절연시킴과 동시에 접극자를 지지하고 스위치 작동상태에서 비작동 상태로 전환시 스프링 복원력을 유발시키는 보조구조물층(6), 전기적 절연 물질로 이루어져 상부 전극의 하면을 절연시킴과 동시에 접극자를 지지하고 스위치 작동상태에서 비작동 상태로 전환시 스프링 복원력을 유발시키는 보조물층(7), 상부전극의 외부로의 전기적 연결을 가능케 하는 상부전극패드(8), 전기적 절연성 물질로 이루어지고 구성요소들을 지지하는 기판(9)의 구조로 이루어져 있다.

상부 전극판(4)과 하부 전극판(5), 이 두 대향 전극판 사이의 전압 차이에 의해 발생하는 정전인력이 탄성지지보의 스프링 저항력을 이겨낼 정도가 커야 탄성지지보가 아래쪽으로 당겨져서, 도 3에서 보는 바와 같이 접극자를 입출력 전극과 닿게 하여야 스위치로서의 제기능을 발휘하게 되는데, 정전인력은 대향 전극판의 거리의 역수에 비례하므로 거리가 조금만 멀어도 작게 된다. 그래서 지금까지의 정전인력형 MEMS RF 스위치의 구동 전압은 수십 볼트로 매우 큰 편이었다. 그러므로 수 볼트의 전압만이 허용되는 분야에서는 사용하기가 곤란하였다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존 수십 볼트(volt)의 고전압에서 작동되던 정전인력형 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치를 사용할 수 없는 분야에서도 적용될 수 있는 저전압형 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치를 구현하고, 제조 공정상에 발생하는 잔류응력의 적절한 조절에 의해, 구동부에 전압을 인가하지 않고도 스위치 작동 상태를 일으킬 수 있는 단순한 구조의 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치를 구현하고, 저전압으로도 큰 힘을 유발시켜 스위치 비작동 상태를 능동적으로 일으키고 유지할 수 있는 능동형 스위치 작동상태를 구현하고, 수작업으로 제조되는 여타 종래 기술의 제조 방식과는 달리, 반도체 제조 설비를 이용한 웨이퍼 단위의 일괄제조방식에 의한 가격 저렴화, 소형화 및 성능의 균일화를 구현되도록 하는 기술을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도1은 종래기술의 MEMS RF 스위치의 구조 평면도.

도2는 종래기술의 MEMS RF 스위치의 비작동 상태의 구조 단면도.

도3은 종래기술의 MEMS RF 스위치의 작동 상태의 구조 단면도.

도4는 본 발명의 전체 구조도

도5는 본 발명의 잔류 응력을 조절하지 않은 상태의 구조 단면도.

도6은 본 발명의 잔류 응력을 조절하여 스위치 작동 상태를 유지하고 있는 구조 단면도.

도7은 본 발명의 잔류 응력을 조절한 구조에 대해 전압을 인가하여 스위치 비작동 상태를 유지하고 있는 구조 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 입력 전극 12 : 출력 전극

13 : 접극자 14 : 탄성지지보

15 : 하부전극 16 : 압전물질

17 : 상부전극

본 발명의 상기 목적은 적층되는 여러 박막들을 지지하는 탄성지지보, 상기 탄성지지보 위에 하부 전극, 상기 하부 전극위에 구동력을 유발하는 압전 박막, 상기 압전 박막 위에 상부 전극 그리고 탄성지지보의 끝단 아래에 고주파수 입출력 전극부의 전기적 이음과 끊음을 조절하는 접극자, 상기 접극자로부터 일정 거리 아래 떨어진 바닥 부분에 고주파수 입력 전극부와 출력 전극부를 갖는 것으로 이루어진 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치에 의해 달성된다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 4는 본 발명에 의한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치의 전체 구조도로, 도전성 금속물질로 이루어진 입력 전극(11), 도전성 금속물질로 이루어진 출력 전극(12), 도전성 금속물질로 이루어진 입출력 전극의 연결 및 단선 조절 역할을 하는 접극자(armature)(13), 접극자(13), 하부전극(15), 압전물질(16) 및 상부전극(17)을 지지하고, 제조공정상의 잔류응력의 조절에 의해 외팔보를 아래로 휘는 힘을 발휘하여 스위치 동작 상태를 유지하게 하는 탄성지지보(14), 압전 구동부 하면에 위치하고 도전성 물질로 이루어진 하부전극(15)으로 구성되어 있다. 상기 접극자(13)는 입력 전극(11) 및 출력 전극(12)과 전기적 절연이 될 만큼의 충분한 높이로 떨어져 제조되어 있고, 또한 입력 전극(11) 과 출력 전극(12) 또한 전기적 절연이될 만큼의 충분한 넓이의 간극이 되도록 제조한다. 상기의 압전물질(16)은 ABO₃구조의 재료에 대해서 A-site 치환이나 B-site 치환인 물질로서, Pb(Zrx,Ti_1-x)O₃계 재료, Pb(Mg, Nb)O₃-Pb(Zrx,Ti_1-x)O₃계 재료, Pb(Mg, Nb)O₃-PbTiO₃계 재료 및 BaTiO₃계 재료와 같은 압전재료를 사용할 수 있다.

다음, 도 5는 본 발명에 의한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치의 단면도로, 잔류 응력을 조절하지 않은 상태의 단면도를 나타낸 것이다.

다음, 도 6은 스위치 온(Switch ON) 상태로, 종래의 정전 인력 방식에서는 대향 전극 사이에 전압을 걸어 주어 서로 끌어당기는 정전 인력을 유발시켜 스위치 온 상태를 유지한다. 일반적으로 여러 층의 박막이 올려지는 반도체 공정의 특성상 제조 공정 조건에 따라 적층 구조물에 수축 또는 팽창하려는 잔류응력이 내재하게 된다. 이러한 잔류응력은 현재 잘 발달된 반도체 공정의 정립에 따라 설계자의 의도에 따라 임의대로 조절할 수 있는 수준에 와 있다. 본 발명에서는 이러한 잔류응력을 적절히 조절하여 고주파 스위치의 초기 구조 상태가 아래로 휘게 하여 구동전압을 별도로 인가하지 않고도 스위치 온 상태가 유지되도록 한다.

다음, 도 7은 스위치 오프(Switch OFF) 상태로, 압전형 마이크로액추에이터는 압전 박막의 양단에 전압 차이를 주게 되면, 길이 방향으로 수축 또는 팽창하는 고유한 특성이 있다. 예를 들어 상부전극에 0V, 하부전극에 5V의 전압을 가하여 하부전극이 상부전극에 비해 전위가 높은 경우 압전 박막이 길이 방향으로 수축하여 탄성지지보를 위쪽으로 휘게 하는 힘을 일으키게 되어 스위치 오프 상태로 변환되게 되는 것이다. 종래의 접점이 붙어서 떨어지지 않는 문제점을 능동적인 압전 구동력에 의해 접점이 떨어지게 함으로써 스위치의 내구 신뢰성을 획기적으로 개선시킬 수 있게 되는 것이다.

따라서, 본 발명의 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치는 전압을 인가하지 않고도, 반도체 박막 제조 공정 조건을 조절함으로써 나타나는 잔류응력을 이용하여 스위치 동작 상태를 유지할 수 있는 단순하고 신뢰성 있는 고주파 스위치를 구현할 수 있고, 여러 층의 복잡한 적층 제조 공정을 거치지 않고, 전압 차이에 의한 압전 박막의 수축 구동력을 이용하여 스위치 비작동 상태를 능동적으로 일으키고 유지할 수 있어 종래의 접점이 붙어서 떨어지지 않던 문제점을 극복하여 내구 신뢰성을 획기적으로 개선할 수 있다. 또한 종래의 정전인력형 구조에서는 접극자와 입출력 전극 사이의 거리가 멀어지면 정전인력의 물리법칙에 의해 인력이 거리의 역수에 비례하므로 접극자와 입출력 전극 사이의 거리가 1~2 마이크로미터 정도의 근접 거리만이 가능하였었는데 압전체를 이용한 본 발명에서는 이 거리를 멀게 할 수 있어 스위치 비작동시 접극자와 입출력 전극 사이의 절연성 및 고주파 특성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치에 있어서,

   적층되는 여러 박막들을 지지하는 탄성지지보;

   상기 탄성지지보 위에 형성된 하부 전극;

   상기 하부 전극 위에 형성되어 구동력을 유발하는 압전 박막;

   상기 압전 박막 위에 형성된 상부 전극;

   상기 탄성지지보의 끝단 아래에 형성되어 고주파수 입출력 전극부의 전기적 이음과 끊음을 조절하는 접극자; 및

   상기 접극자의 일정 거리 아래 떨어진 바닥 부분에 형성된 고주파수 입력 전극부와 출력 전극부

   를 포함함을 특징으로 하는 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 탄성지지보는 절연체임을 특징으로 하는 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 압전막은 ABO₃구조의 재료에 대해서 A-site 치환이나 B-site 치환임을 특징으로 하는 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 ABO₃구조의 재료는 Pb(Zrx,Ti_1-x)O₃계 재료, Pb(Mg, Nb)O₃-Pb(Zrx,Ti_1-x)O₃계 재료, Pb(Mg, Nb)O₃-PbTiO₃계 재료 및 BaTiO₃계 재료 중 어느 하나를 사용함을 특징으로 하는 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 탄성지지보의 접극자는 상기 입력 전극 및 출력 전극과 소정의 간격으로 떨어져 있음을 특징으로 하는 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 입력 전극 및 출력 전극은 소정의 간격으로 떨어져 있음을 특징으로 하는 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치.
7. 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치에 있어서,

   접극자는 탄성지지보 및 탄성지지보 위에 적층된 하부전극, 압전박막 및 상부전극의 제조 공정상의 잔류응력의 조절에 의해 입력 전극 및 출력 전극과 접촉되어 있음을 특징으로 하는 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 접극자와 입력 전극 및 출력 전극이 접촉되는 것이 스위치 온 상태임을 특징으로 하는 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치.
9. 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치에 있어서,

   상부전극 및 하부전극에 인가된 전압이 압전박막을 길이방향으로 수축시켜 탄성지지보를 위쪽으로 휘게 하는 것을 특징으로 하는 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 탄성지지보가 위쪽으로 휘어지는 것은 접극자가 입력 전극 및 출력 전극에서 떨어지는 것임을 특징으로 하는 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 접극자가 입력 전극 및 출력 전극에서 떨어지는 것은 스위치 오프 상태임을 특징으로 하는 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치.
12. 제9항에 있어서,

    상기 상부전극 및 하부전극에 인가된 전압은 상부전극 보다 하부전극이 전위가 높은 것을 특징으로 하는 잔류응력 및 압전구동력을 이용한 초소형 전기 기계 시스템 고주파 스위치.