KR20050043231A - 마이크로 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 마이크로 스위치는 전자기력과 정전기력으로 구동을 하고 스위칭 상태는 정전기력을 이용해서 유지한다. 정전기력에 비해서 상대적으로 큰 힘인 전자기력으로 구동하기 때문에 기계적으로 단단한 구조의 스위치를 사용할 수 있고 정전기력만을 이용한 구동방식과 달리 스위치를 오프(off) 시킬 때에도 전자기력을 이용하여 반대방향으로 힘을 가할 수 있기 때문에 높은 전력을 가지는 신호를 안정적으로 오프 (off) 시킬 수 있다. 또한, 스위칭 상태는 정전기력만을 이용해서 유지하기 때문에 전력소모는 스위칭하는 순간에만 발생하므로 저전력 동작이 가능하고, 정전기력은 스위치의 상태유지에만 쓰이므로 저전압 동작이 가능하다.

Description

마이크로 스위치 {Micro switch}

본 발명은 마이크로 스위치에 관한 것으로서, 특히 저 전압, 저 전력으로 구동이 가능하며 직류신호 뿐이 아닌 초고주파 대역의 신호에 대해서도 사용이 가능한 마이크로 스위치에 관한 것이다.

초고주파 대역에서 사용되는 많은 전자 시스템들이 점차적으로 초소형화, 초경량화, 고성능화가 되어가고 있다. 이러한 전자 시스템에 전기적인 신호를 제어하기 위해서 기존에는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor: FET)나 핀 다이오드(pin diode)와 같은 반도체 스위치들이 사용되어져 왔다. 그러나, 이러한 반도체 스위치들에는, 대기 상태에서 전력손실이 크고, 완전한 온/오프(on/off)가 이루어지지 않는 등의 많은 문제점들이 있어 왔다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 최근에는 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 이용하여 기계적으로 동작하는 초소형 초고주파 스위치가 널리 연구되고 있다. 마이크로 스위치는 작은 삽입 손실(insertion loss)과 높은 절연성(isolation) 및 동작특성의 선형성으로 인해서 기존의 반도체 스위치들이 가지는 단점들을 극복할 수 있다.

이러한 마이크로 스위치의 구동은 그 구동방법에 따라 정전기력을 이용한 구동과, 전자기력을 이용한 구동의 두 가지로 크게 나눌 수 있다.

정전기력을 이용한 구동은 두 판 사이에 작용하는 정전기력으로 스위치를 온/오프 하는 방식이다. 이러한 방식의 스위치는 구조 및 제작공정이 간단하다는 장점을 갖지만, 동작 전압이 높고 발생하는 힘이 작아서 신뢰성 있는 구동을 이루기 어렵고 높은 전력의 신호를 다루기 힘들다는 단점이 있다. 일 예로서, 미국의 Jun J. Yao 등에 허여된 미국특허 US5578976에 정전인력을 이용한 마이크로 스위치 구조 및 제조 방법에 관한 내용이 있다.

한편, 전자기력을 이용한 구동은 미국의 마이크로랩(microlab)에서 제안한 방법이 있다. 외부 자석을 이용해서 자기장을 발생시키는 동시에 코일에 전류를 흘려서 생성되는 반대자장의 유무에 따라서 자성체로 이루어진 캔틸레버를 당기는 방식으로 스위치를 온/오프 하는 방식이다. 이러한 구동방법에 따른 마이크로 스위치는, 코일에 전류를 흘려서 강한 자장을 형성해야 하기 때문에 전력소모가 정전기력을 이용한 구동방식에 비해서 크고, 코일의 크기로 인해서 사이즈가 크다는 단점 등을 갖는다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 외부에서 발생한 자기장을 이용해서 도선에 전류를 인가해줄 때 발생하는 큰 힘으로 스위치를 구동시킴으로써 기계적으로 강한 구조를 가질 수 있고, 높은 전력의 신호를 다룰 수 있는 마이크로 스위치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 기술적 과제는, 상대적으로 큰 힘으로 인해서, 구동 변위를 높임으로써 오프 시에 절연(isolation) 정도를 높일 수 있는 마이크로 스위치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 스위칭 후에 정전기력을 이용하여 스위칭 상태를 유지하기 때문에 전력소모도 작게 되며, 집적에 의해 작은 크기를 가질 수 있는 마이크로 스위치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 전자기력을 이용하기 때문에 정전기력에 비해서도 낮은 전압에서도 동작이 가능한 마이크로 스위치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 저전압에서 신뢰성 있게 동작하면서 높은 전력의 신호를 다룰 수 있는 마이크로 스위치를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로 스위치의 기본 개념은, 외부 영구 자석 사이에서 생기는 자장을 이용해서 생긴 전자기력으로 구동하고 정전기력으로 스위칭 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스위치는, 소정의 공간에 자장을 형성시키기 위한 외부 자장 발생수단과; 상기 자장의 형성공간 내에 위치한 캔틸레버와; 상기 캔틸레버에 마련되며, 자신을 통해 전류가 흐를 때 상기 캔틸레버를 구동시키는 전자기력을 발생시키는 도선과; 상기 도선에 대응되게 위치하며, 자신에 전압이 가해질 때 상기 도선과의 사이에 정전기력을 발생시키는 금속판을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 스위치는, 소정의 공간에 자장을 형성시키기 위한 외부 자장 발생수단과; 상기 자장의 형성공간 내에 위치한 캔틸레버 타입의 스위치와; 상기 캔틸레버 위에 집적되어 있는 구동 도선과; 상기 캔틸레버의 일단의 하부에 부착된 제1 금속판과; 상기 캔틸레버의 타단 하부에 연결되어, 상기 캔틸레버를 지지하는 포스트와; 상기 구동 도선에 대응되게 위치하여, 상기 구동 도선과의 사이에서 정전기력을 발생시키기 위해 전압이 인가되는 제2 금속판과; 상기 제1 금속판과 대향되게 위치하여, 상기 캔틸레버의 작동에 따라 상기 제1 금속판과 전기적 접속을 이룸으로써 신호를 통과시키는 입·출력도선과; 상기 포스트에 연결되어서 상기 구동 도선에 전류를 가해주는 전류 인가용 도선을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 도선과 캔틸레버가 각각 금속 및 절연체를 이용하여 제작된 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 캔틸레버가 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어진다.

상기 외부 자장 발생수단은 영구자석들로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 외부 자장 발생수단을 제외한 모든 구성요소를 기판 상에 집적하여 형성할 수도 있다. 이 때, 상기 기판으로서, 실리콘 기판 또는 유리 기판을 사용할 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 아래의 도면들에서 동일 참조번호는 동일 구성요소를 나타내며, 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 마이크로 스위치의 기본 개념도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 스위치를 나타낸 도면이다. 도 2는 도시의 명확화를 위해 자장형성을 위한 영구자석(101, 102)이 생략된 상태로 도시되었다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 마이크로 스위치(201)는 자장이 형성된 공간에서 동작한다. 마이크로 스위치(201)의 한쪽 면에 영구자석(101)이 존재하며, 마이크로 스위치(201)의 다른 면에 반대 극성을 갖는 영구 자석(102)이 존재하게 된다. 이 마이크로 스위치(201)는, 고주파 신호 등이 입력되는 입력 도선(202); 이 신호가 출력되는 출력 도선(212); 구동 전류를 인가하기 위한 전류인가용 도선(203, 204); 스위칭 상태를 유지하는 전압을 인가하기 위한 제2 금속판(205); 캔틸레버(210)의 구동부를 지지하는 세 개의 포스트(206, 207, 208), 온(on) 상태에서 신호 입력 도선(202)과 신호 출력 도선(212)을 이어주기 위한 제1 금속판(209); 제1 금속판(209)을 구동시키기 위한 캔틸레버(210); 캔틸레버(210)를 구동시키기 위해 캔틸레버(210)의 상면에 집적형성된 구동 도선(211)으로 구성된다. 이 때, 상기 구동 전류를 인가하기 위한 한쪽의 도선(204)은 가운데 포스트(207)와 연결되어 있고, 다른 한쪽의 전류인가용 도선(203)은 그 옆의 포스트(208)에 연결되어 있다. 상기 도선에 연결된 포스트(207)는 캔틸레버(210)를 구동시키기 위한 구동 도선(211)의 한쪽 끝과 연결되어 있고, 구동 도선(211)의 다른 한쪽 끝은 인접한 포스트(208)에 연결되어 있다. 캔틸레버(210)의 끝은 세 개의 포스트(206,207,208)에 의해서 지지되어 지고, 캔틸레버의 반대쪽 단부의 아래에는 제1 금속판(209)이 달려 있다.

초기 상태는 신호 입력 도선(202)과 신호 출력 도선(212)이 끊어진 오프(off) 상태이다. 상기 두 도선을 이어주는 제1 금속판(209)은 두 도선으로부터 포스트의 높이만큼 떨어져 있게 된다.

이와 같은 마이크로 스위치(201)의 구성요소들은 영구자석(101, 102)을 제외하고는 실리콘 기판 또는 유리 기판 등의 기판(200)에 집적, 형성될 수 있다.

이어서, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 마이크로 스위치(201)의 구동방법에 대해 설명한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 마이크로 스위치의 구동방법을 설명하기 위한 도면들이다. 도시의 명확화를 위해, 도 3 및 도 4에서 포스트를 생략하고 포스트의 반대쪽 부분만을 나타내었다. 도 3을 참조하면, 초기 상태에 구동 신호가 가해지지 않았을 때 스위치는 오프(off)상태에 있다. 즉, 신호 입력 도선(202)과 신호 출력 도선(212)이 끊어져 있다. 스위치를 구동시키기 위해서는, 도 2에 도시된 구동 전류 인가용 도선들(203, 204)에 전류를 인가한다. 이 도선들(203, 204)은 캔틸레버(210) 위에 붙어 있는 구동 도선(211)과 연결되어 있어서 이 구동 도선(211)에도 전류가 흐르게 된다. 전류가 전류인가용 도선의 한쪽 끝(204)에서 다른 쪽 끝(203) 방향으로 흐르고, 도 1과 같은 방향으로 자장이 형성될 때, 구동을 위한 도선(211) 중에서 자장의 방향과 수직으로 놓여 있는 도선은 아래쪽으로 힘을 받게 된다. 즉, 캔틸레버(210)가 아래쪽으로 구동을 하게 되고 캔틸레버(210)의 밑에 놓여 있는 제1 금속판(209)은 신호 입력 도선(202)과 신호 출력 도선(212)에 접촉함으로써 도 4와 같이 양쪽 도선을 이어 주게 되고, 이렇게 접촉된 도선을 통하여 신호가 지나갈 수 있게 된다. 이 때, 캔틸레버(210)의 밑에 있는 전압을 인가하기 위한 제2 금속판(205)에는 구동 도선(211)에 흐르는 전류를 흘리기 위하여 인가된 도선의 전압보다 높은 전압이 인가되게 된다. 그러므로, 제2 금속판(205)과 구동 도선(211) 사이의 전압차에 의해서 발생하는 정전기력에 의해서도 캔틸레버(210)가 아래쪽으로 당겨지게 되는 것이다. 또한, 캔틸레버(210)가 아래쪽으로 구동을 하였을 때, 캔틸레버(210) 위에 있는 구동 도선(211)과 전압을 인가하기 위한 제2 금속판(205) 사이의 거리가 작아지게 되므로 이 둘 사이에 작용하는 힘도 커져서 구동 도선(211)에 전류가 흐르지 않더라도 캔틸레버(210)는 온(on) 상태로 지속할 수 있다. 따라서, 온(on) 상태를 유지하는 데에는 전력이 소비되지 않는다.

온(on) 상태인 스위치를 오프(off) 상태로 만들기 위해서는 전압을 가해주는 제2 금속판(205)에 인가된 전압을 끊어준다. 그러면, 캔틸레버(210)의 복원력에 의해서 스위치는 오프(off) 상태가 될 수 있다. 또한, 이 때 구동 도선(211)에 반대방향으로 전류를 흘려주게 되면, 캔틸레버(210)는 위쪽 방향으로 힘을 받게 되어, 보다 큰 힘으로 스위치를 오프(off) 상태로 만들 수 있게 된다.

상기 설명한 방법으로 마이크로 스위치(201)는 동작을 하게 된다.

본 발명의 마이크로 스위치의 제작 방법은 다음과 같다.

도 5a 내지 도 5h는 본 발명의 제작 공정을 보여주는 공정 단면도들이다.

도 5a를 참조하면, 먼저, 기판(501)은 큰 기판저항을 갖는 실리콘 웨이퍼나 유리 기판 등을 사용한다. 그 위에, 하부 전극으로 사용될 금속 도선(502)을 증착하고 패터닝한다. 여기서, 하부 전극은 전해도금으로 형성할 수도 있다.

이어서, 도 5b에 도시한 바와 같이, 희생층(503)을 도포하고 추후에 포스트가 형성될 부분(A)을 패터닝한다. 여기서, 희생층으로는 감광막이나, 폴리이미드, 금속, 절연막 등 이후 공정에서 제거하기 쉬운 물질을 사용한다.

이후에, 도 5c와 같이, 패터닝된 포스트 부분을 도금에 의해 채워서, 금속으로 이루어진 포스트(504)를 형성한다.

그 다음, 도 5d와 같이, 스위칭시에 신호선(도 2의 209, 212)을 이어주는 역할을 하는 금속을 증착하고 패터닝해서 금속판(505)을 형성한다.

이후에, 도 5e 및 도 5f와 같이 캔틸레버의 구조체(506)로 쓰일 물질을 증착하고 패터닝한다. 여기서, 구조체로 쓰일 물질은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등의 절연체로 이루어져야 한다.

이후에, 도 5g와 같이, 구조체(506) 상에 상부 금속층(507)을 형성한다. 상부 금속층은 증착 또는 도금을 이용하여 형성할 수 있다. 상부 금속층(507)은 구동 도선의 역할을 하게 된다.

마지막으로 도 5h와 같이, 희생층(503)을 건식식각 또는 습식식각을 이용하여 제거함으로써 캔틸레버 구조체가 움직일 수 있게 공중에 띄우게 된다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

상술한 바와 같은 본 발명의 마이크로 스위치는, 외부에서 인가한 전자기장을 이용해서 발생시킨 전자기력(electromagnetic force)으로 구동하고 도선과 판사이에 작용하는 정전기력으로 상태를 유지하는 방식을 적용하므로, 큰 힘을 바탕으로 신뢰성 있는 동작이 가능할 뿐만 아니라, 높은 전력의 신호를 제어할 수 있다. 또한, 정전기력으로 구동하지만, 구동순간에만 전력을 소비하기 때문에, 낮은 전력소모를 갖는다.

도 1은 본 발명의 마이크로 스위치의 기본 개념도;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 스위치를 나타낸 도면;

도 3 및 도 4는 본 발명의 마이크로 스위치의 구동방법을 설명하기 위한 도면들; 및

도 5a 내지 도 5h는 본 발명의 제작 공정을 보여주는 공정 단면도들이다.

Claims (8)

1. 외부 영구 자석 사이에서 생기는 자장을 이용해서 생긴 전자기력으로 구동하고 정전기력으로 스위칭 상태를 유지하는 마이크로 스위치.
2. 소정의 공간에 자장을 형성시키기 위한 외부 자장 발생수단과;

   상기 자장의 형성공간 내에 위치한 캔틸레버와;

   상기 캔틸레버에 마련되며, 자신을 통해 전류가 흐를 때 상기 캔틸레버를 구동시키는 전자기력을 발생시키는 도선과;

   상기 도선에 대응되게 위치하며, 자신에 전압이 가해질 때 상기 도선과의 사이에 정전기력을 발생시키는 금속판;

   을 구비하는 마이크로 스위치.
3. 소정의 공간에 자장을 형성시키기 위한 외부 자장 발생수단과;

   상기 자장의 형성공간 내에 위치한 캔틸레버 타입의 스위치와;

   상기 캔틸레버 위에 집적되어 있는 구동 도선과;

   상기 캔틸레버의 일단의 하부에 부착된 제1 금속판과;

   상기 캔틸레버의 타단 하부에 연결되어, 상기 캔틸레버를 지지하는 포스트와;

   상기 구동 도선에 대응되게 위치하여, 상기 구동 도선과의 사이에서 정전기력을 발생시키기 위해 전압이 인가되는 제2 금속판과;

   상기 제1 금속판과 대향되게 위치하여, 상기 캔틸레버의 작동에 따라 상기 제1 금속판과 전기적 접속을 이룸으로써 신호를 통과시키는 입·출력도선과;

   상기 포스트에 연결되어서 상기 구동 도선에 전류를 가해주는 전류 인가용 도선;

   을 구비하는 마이크로 스위치.
4. 제3항에 있어서, 상기 도선과 캔틸레버가 각각 금속 및 절연체를 이용하여 제작된 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
5. 제4항에 있어서, 상기 캔틸레버가 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
6. 제3항에 있어서, 상기 외부 자장 발생수단이 영구자석들로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
7. 제3항에 있어서, 상기 외부 자장 발생수단을 제외한 모든 구성요소가 기판 상에 집적형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
8. 제7항에 있어서, 상기 기판이 실리콘 기판 또는 유리 기판인 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.