KR20060092424A - 스위치패드 및 그것을 구비한 마이크로 스위치 - Google Patents
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Abstract
신호의 흐름을 스위칭하는 스위치패드 및 그것을 구비한 마이크로 스위치가 개시된다. 스위치패드는 중심에서 주변으로 갈수록 기판에 설치된 정전구동부로부터 더 이격되게 형성된 몸체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 스위치패드가 중심에서 주변으로 갈수록 기판에 설치된 정전구동부로부터 더 이격되게 형성된 구조를 가짐으로써, 낮은 구동전압에서도 안정적으로 구동될 수 있다.
스위치, 정전기력, 효율, 증가, 구동전압, 감소, 스위치패드, 계단,
Description
도 1은 종래의 RF 스위치의 개략 사시도.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 선 I-I을 따라 취한 단면도.
도 3a 및 도 3b은 본 발명의 원리를 설명하는 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 스위치패드를 구비한 RF 스위치의 개략 사시도.
도 5a 및 도 5b는 도 4의 선 II-II을 따라 취한 단면도.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 스위치패드의 변형예가 적용된 RF 스위치를 도 4와 같은 선 II-II을 따라 취한 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100; RF 스위치 110: 스프링 구조체
111: 기판 112: 정전구동부
113, 114: 구동전극 116, 116': 스위치패드
117, 117': 몸체 121a, 121b: 지지포스트
122, 123: 스프링 130a, 130b: 단자연결부
132, 133: 신호선 132b, 133a, 133b: 스위칭단자
본 발명은 RF(radio frequency) 스위치와 같은 정전기력(electrostatic force)에 의해 구동되는 마이크로 스위치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신호의 흐름을 스위칭하는 스위치패드 및 그것을 구비한 마이크로 스위치에 관한 것이다.
일반적으로, RF 스위치와 같은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 사용하는 마이크로 스위치는 신호선과 접촉하거나 이격되어 신호의 흐름을 스위칭하는 스위치패드를 구비한다. 이러한 스위치패드는 스프링에 의해 지지되고, 구동전압이 인가되는 정전구동부에 의해 신호선과 접촉하거나 이격되도록 구동된다.
도 1은 대표적인 RF 스위치의 한 예를 개략적으로 도시한다.
이 RF 스위치(1)는 신호선(32, 33)과 접촉하거나 이격되어 신호의 흐름을 스위칭하는 스위치패드(16), 스위치패드(16)를 구동하는 정전구동부(12), 및 스위치패드(16)를 탄성적으로 지지하는 스프링 구조체(10)를 구비한다.
스위치패드(16)는 금속층(28)의 상,하양면에 실리콘 질화막과 같은 제1 및 제2절연층(27, 29)을 덧붙인 다중박막으로 구성되고, 양측단부(16a, 16b)의 하면에 신호선(32, 33)의 제1 및 제2스위칭단자(32a, 32b(도 2a 참조); 33a, 33b)와 접촉하거나 이격되어 신호의 흐름을 도통시키거나 단락시키는 제1 및 제2단자연결부(30a, 30b)을 각각 형성하고 있다.
정전구동부(12)는 기판(11)위에서 제1 및 제2신호선(32, 33) 안쪽에 설치되고, 도전성을 갖는 금속으로 이루어진 제1 및 제2구동전극(13, 14)으로 구성된다.
스프링 구조체(10)은 제1 및 제2지지포스트(21a, 21b)와 제1 및 제2스프링(22, 23)을 구비한다.
제1 및 제2지지포스트(21a, 21b)는 각각 스위치패드(16)의 상측면(16c)과 하측면(16d) 근처에서 기판(11)에 형성된 그라운드(15)에 설치되고, 수직으로 돌출되어 있다. 제1 및 제2지지포스트(21a, 21b)의 상부(21a', 21b')는 스위치패드(16)와 같이 금속층(28)의 상,하양면에 실리콘 질화막과 같은 제1 및 제2절연층(27, 29)을 덧붙인 다중박막으로 구성된다.
제1 및 제2 스프링(22a, 23a)은 각각 스위치패드(16)의 상측면(16c) 및 하측면(16d)과 제1 및 제2지지포스트(21a, 21b)의 상부(21a', 21b') 사이에 연결되어 있다. 제1 및 제2 스프링(22a, 23a)은 스위치패드(16)와 제1 및 제2지지포스트(21a, 21b)의 상부(21a', 21b')의 금속층(28)과 동일한 금속으로 형성된다.
이러한 종래의 RF 스위치(1)는, 스위치패드(16)가 직선평면형으로 형성되어 있고, 또 양측단부(16a, 16b)의 하면에 제1 및 제2스위칭단자(32a, 32b; 33a, 33b)와 접촉하거나 이격되는 제1 및 제2단자연결부(30a, 30b)를 형성하고 있기 때문에, 도 2a에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2구동전극(13, 14)에 구동전압이 인가되지 않을 때 제1 및 제2단자연결부(30a, 30b)가 제1 및 제2스위칭단자(32a, 32b; 33a, 33b)와 접촉하지 않도록 하기 위해서는 초기상태에서 스위치패드(16)와 제1 및 제2구동전극(13, 14) 사이의 거리(d)가 소정범위 이상으로 크게 유지되도록 제작되어야 한다.
이와 같이 스위치패드(16)와 제1 및 제2구동전극(13, 14) 사이의 거리(d)가 소정범위 이상으로 멀어지게 되면, 제1 및 제2구동전극(13, 14), 예를들면 도 2b에 도시한 바와 같이 제2구동전극(14)에 구동전압이 인가될 때 스위치패드(16)와 제2구동전극(14) 사이에 발생하는 정전기력은 저하된다. 그 결과, 스위치패드(16)는 스프링 구조체(10)의 제1 및 제2스프링(22, 23)의 회전비틀림 강성에 대항하여 안정적으로 구동되지 못한다. 따라서, 스위치패드(16)가 안정적으로 구동되도록 하기 위해서는 제1 및 제2구동전극(13, 14)에 인가하는 구동전압을 높여 주거나, 제1 및 제2스프링(22, 23)의 회전비틀림 강성을 낮춰주어야 한다.
그러나, 제1 및 제2구동전극(13, 14)에 인가되는 구동전압이 높아지면, 전력소모를 증가할 뿐 아니라, 낮은 구동전압으로 구동되는 RF 스위치(1)를 요구하는 무선통신 시스템, 안테나 튜너, 송/수신기, 페이즈드 어레이 안테나(phased array antenna)와 같은 시스템 또는 모듈(modules)에 사용되기 어렵다.
또한, 제1 및 제2스프링(22, 23)의 회전비틀림 강성을 낮추게 되면, 제1 및 제2구동전극(13, 14)에 구동전압이 인가되지 않은 상태에서 제1 및 제2스프링(22, 23)이 제1 또는 제2단자연결부(30a, 또는 30b)를 제1 또는 제2스위칭단자(32a, 33a; 또는 32b, 33b)와 접촉되지 않도록 유지하는 힘이 약하게 되고, 그에 따라 RF 스위치(1)는 진동환경에 약하게 되는 문제점이 발생한다.
이와 같이, 시스템이나 모듈의 구동전압 기준을 충족하는 낮은 구동전압에서 구동될 수 있을 뿐 아니라 제1 및 제2스프링(22, 23)의 회전비틀림 강성을 낮추지 않고도 안정적으로 구동될 수 있는 새로운 RF 스위치 개발의 필요성이 증가하고 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 낮은 구동전압에서도 안정적으로 구동될 수 있는 스위치패드 및 그것을 구비한 마이크로 스위치를 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 실시형태에 따른 스위치패드는 신호선과 접촉하거나 이격되어 신호의 흐름을 스위칭하는 마이크로 스위치의 스위치패드에 있어서, 지지중심에서 주변으로 갈수록 기판에 설치된 정전구동부로부터 더 이격되게 형성된 몸체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
양호한 실시예에 있어서, 몸체는 계단형태로 형성된 것이 바람직하다.
선택적으로, 몸체는 곡선형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따른 마이크로 스위치는 기판, 기판위에 설치된 적어도 하나의 신호선, 기판위에 설치된 적어도 하나의 정전구동부, 지지중심에서 주변으로 갈수록 정전구동부로부터 더 이격되게 형성된 몸체를 구비하고, 정전구동부의 동작에 따라 신호선과 접촉하거나 이격되어 신호의 흐름을 스위칭하는 스위치패드, 및 스위치패드를 기판에 회동할 수 있게 지지하는 스프링 구조체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
양호한 실시예에 있어서, 몸체는 계단형태로 형성된 것이 바람직하다.
선택적으로, 몸체는 곡선형태로 형성될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 스위치 패드 및 그것을 구비한 마이크로 스위치를 첨 부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 스위치패드가 적용된 마이크로 스위치를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 스위치패드가 적용된 마이크로 스위치는 신호의 흐름을 스위칭하는 RF 스위치(100)이다.
RF 스위치(100)는 기판(111), 제1 및 제2신호선(132, 133), 정전구동부(112), 스위치패드(116), 및 스프링 구조체(110)를 구비한다.
제1 및 제2신호선(132, 133)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu)와 같은 도전성 금속으로 형성되고, 기판(111)의 상면 양측에서 설치된다. 제1 및 제2신호선(132, 133)의 각각은 후술하는 스위치패드(116)의 제1 및 제2단자연결부(130a, 또는 130b)와 접촉하거나 이격되는 제1 및 제2스위칭단자(132b(도 5a 및 도 5b에 하나만 도시함); 또는 133a, 133b)를 구비한다.
정전구동부(112)는 기판(111)위에서 제1 및 제2신호선(132, 133) 안쪽에 설치된 제1 및 제2구동전극(113, 114)으로 구성된다. 제1 및 제2구동전극(113, 114)은 각각 금(Au), 은(Ag)과 같은 양호한 도전성을 갖는 금속으로 형성된다.
스위치패드(116)는 제1 및 제2신호선(132, 133)의 제1 및 제2스위칭단자(132b; 133a, 133b)와 접촉하거나 이격되어 신호의 흐름을 스위칭하는 것으로, 후술하는 스프링 구조체(110)의 제1 및 제2스프링(122, 123)에 의해 기판(111)위에 탄성적으로 지지된 몸체(117)로 구성된다.
몸체(117)는 알루미늄(Al)과 같은 금속으로 이루어진 금속층(128), 및 금속 층(128)의 상,하양면에 부착된 실리콘질화막과 같은 절연재로 이루어진 제1 및 제2절연층(127, 129)을 포함하는 다중박막으로 형성된다.
몸체(117)는 제1 및 제2단부(117a, 117b)의 하면에 ㄷ자 형태의 제1 및 제2단자연결부(130a, 130b)를 각각 형성하고 있다. 제1 및 제2단자연결부(130a, 130b)는 각각 제1 및 제2신호선(132, 133)의 제1 및 제2스위칭단자(132b; 133a, 133b)와 접촉하거나 이격되어 제1 및 제2스위칭단자(132b; 133a, 133b)를 서로 연결하거나 차단하는 것으로, 양호한 도전성을 갖는 금(Au), 은(Ag)과 같은 금속으로 형성된다.
몸체(117)는 정전구동부(112)의 제1 및 제2구동전극(113, 114)에 낮은 구동전압이 인가되더라도 안정적으로 구동될 수 있도록 하기 위해, 제1 및 제2스프링(122, 123)에 지지된 중심부에서부터 주변으로 갈수록 제1 및 제2구동전극(113, 114)으로부터 더 이격되게 형성된다.
보다 상세하게 설명하면, 일반적으로, 도 3a에 도시한 바와 같이, 전위차가 있는 두 개의 전극(200, 300) 사이의 정전기력(Fe)은 다음식(1)과 같이, 유전율(ε0=8.85 x10-12 F/m;공기중 유전율)과 단면적(A)에 비례하고, 전원공급부(250)에서 공급되는 구동전압(V)의 제곱에 비례하며, 두 전극(200, 300) 사이의 거리(d')의 제곱에 반비례한다.
따라서, 두 개의 전극(200, 300)의 단면적(A)이 동일한 조건에서, 두 개의 전극(200, 300) 사이의 거리(d')가 멀어지게 되면, 정전기력(Fe)은 저하된다.
또한, 도 3b에 도시한 바와 같이, 회전축(401)을 중심으로 회전운동을 하는 구조물(400)이 일정한 각도(θ)로 회전할 때, 구조물(400)의 소정지점에서의 변위(d1, d2, d3)는 회전축(401)에서의 거리(x1, x2, x3)에 비례하여 증가한다.
그러므로, 도 5a에 도시한 바와 같이, 초기상태에서 몸체(117)와 제1 및 제2구동전극(113, 114) 사이의 거리(d1', d2', d3')를 제1 및 제2스프링(122, 123)에 지지된 중심부에서의 거리(x1', x2', x3')에 비례하여 증가시키면, 제1 및 제2구동전극(113, 114)에 구동전압이 인가되지 않을 때 제1 및 제2단자연결부(130a, 130b)가 각각 제1 및 제2스위칭단자(132b; 133a, 133b)와 접촉하지 않도록 하면서도, 몸체(117)와 제1 및 제2구동전극(113, 114) 사이에 작용하는 정전기력의 효율을 최대한 높일 수 있다.
따라서, 본 실시예에서, 몸체(117)는 제1 및 제2스프링(122, 123)에 지지된 중심부에서 떨어져 있는 부분들이 중심부에 가까이에 있는 부분들 보다 제1 및 제2구동전극(113, 114)과의 거리(d1', d2', d3')가 크게 되는 계단형태로 형성된다.
선택적으로, 도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이, 스위치패드(116')의 몸체(117')는 제1 및 제2구동전극(113, 114)과의 거리가 제1 및 제2스프링(122, 123)에 지지된 중심부에서 주변으로 갈수록 점진적으로 상승하는 곡선형태로 형성될 수 있다.
이와 같이 몸체(117)가 중심부에서부터 주변으로 갈수록 제1 및 제2구동전극 (113, 114)으로부터 더 이격되게 형성됨으로써, 제1 및 제2구동전극(113, 114)과의 주변쪽 거리(d3')가 도 1 내지 도 2b를 참조하여 설명한 종래의 RF 스위치(1)의 스위치패드(16)의 제1 및 제2구동전극(13, 14)과의 거리(d)와 동일한 조건으로 제작된 몸체(117)를 구동할 경우, 제1 및 제2구동전극(113, 114)에 인가되는 구동전압은 종래의 RF 스위치(1)에 비하여 현저하게 감소될 수 있다.
또한, 종래의 RF 스위치(1)의 제1 및 제2구동전극(13, 14)에 인가되는 구동전압과 동일하거나 그 보다 일정한도 범위내에서 낮은 구동전압을 제1 및 제2구동전극(113, 114)에 인가하더라도, 몸체(117)와 제1 및 제2구동전극(113, 114) 사이에 발생하는 정전기력은 종래의 RF 스위치(1)에 비하여 커진다. 따라서, 몸체(117)를 안정적으로 구동하기 위해 제1 및 제2스프링(122, 123)의 회전비틀림 강성을 낮출 필요가 없을 뿐 아니라, 제1 및 제2스프링(122, 123)의 회전비틀림 강성을 낮춤에 따라 제1 및 제2스프링(122, 123)이 제1 및 제2단자연결부(130a, 130b)를 제1 및 제2스위칭단자(132b; 133a, 133b)와 접촉되지 않도록 유지하는 힘이 약하게 됨으로 인하여 진동환경에 취약해지는 문제가 방지된다.
스위치패드(116)의 몸체(117)는 제조시 하부의 제1 및 제2신호선(132, 133), 제1 및 제2구동전극(113, 114) 등을 형성하는 식각공정을 쉽게 하기 위하여 다수의 식각홀(141)을 구비할 수 있다.
스프링 구조체(110)는 스위치패드(116)의 몸체(117)를 기판(111)에 탄성적으로 지지하는 것으로, 제1 및 제2지지포스트(121a, 121b)와 제1 및 제2스프링(122, 123)을 구비한다.
제1 및 제2지지포스트(121a, 121b)는 각각 몸체(117)의 상측면(117c)과 하측면(117d) 근처에서 기판(111)에 형성된 그라운드(115)에 설치되고, 수직으로 돌출되어 있다.
제1 및 제2지지포스트(121a, 121b)의 상부(121a', 121b')는 스위치패드(116)의 몸체(117)와 같이 알루미늄(Al)과 같은 금속으로 이루어진 금속층(128)의 상,하양면에 실리콘 질화막과 같은 절연재로 이루어진 제1 및 제2절연층(127, 129)을 덧붙인 다중박막으로 구성된다.
제1 및 제2 스프링(122, 123)은 각각 스위치패드(116)의 몸체(117)의 상측면(117c) 및 하측면(117d)과 제1 및 제2지지포스트(121a, 121b) 사이에 연결되어 있다. 제1 및 제2 스프링(122, 123)은 스위치패드(116)의 몸체(117)와 제1 및 제2지지포스트(121a, 121b)의 상부(121a', 121b')의 금속층(128)과 동일한 알루미늄(Al)과 같은 금속으로 형성된다.
이상에서, 본 발명의 스위치패드(116)가 적용되는 마이크로 스위치는 제1 및 제2신호선(132, 133)의 제1 및 제2스위치단자(132b; 133a, 133b)와 접촉하거나 이격되어 제1 및 제2스위칭단자(132b; 133a, 133b)를 서로 연결하거나 차단하는 제1 및 제2단자연결부(130a, 130b)를 구비하는 RF 스위치(100)인 것으로 설명 및 예시하였으나, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 스위치패드(116)가 적용되는 마이크로 스위치는 동일한 원리와 구성을 갖는 다른 스위치, 예를들면 스위치패드(도시하지 않음)의 몸체가 제1 및 제2단자연결부(130a, 130b)를 구비하지 않고 그라운드(115)에 접지된 도전성 금속으로 구성되고, 제1 또는 제2신호선(132, 133)이 제1 및 제2스위칭단자(132b; 133a, 133b)를 구비하지 않고 제1 및 제2캐패시터(도시하지 않음)를 구비한 정전용량형 RF 스위치(도시하지 않음)로 구성될 수 있다. 이 경우, 정전용량형 RF 스위치는 스위치패드의 몸체가 제1 또는 제2신호선(132, 또는 133)에 접촉하거나 이격될 때 제1 또는 제2신호선(132, 또는 133)에 설치된 제1 및 제2캐패시터의 캐패시턴스의 변화에 의해 신호를 그라운드(115)로 바이패싱시키거나 제1 또는 제2신호선(132, 또는 133)을 통해 흐르게 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 스위치패드(116)를 구비한 RF 스위치(100)의 작용을 도 4 내지 도 5b를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 정전구동부(112)의 제1 및 제2구동전극(113, 114)의 하나, 예를들면, 제2구동전극(114)에 전압이 인가될 때, 제2구동전극(114)과 이에 대향하는 스위치패드(116)의 몸체(117)의 부분 사이에는 정전기력이 발생하게 되고, 이 정전기력에 의해 몸체(117)의 제2단부(117b)는 도 5b에 도시한 바와 같이, 아래로 끌어 당겨진다. 그 결과, 몸체(117)는 제1 및 제2스프링(122, 123)의 회전비틀림 강성에 대항하여 제1 및 제2스프링(122, 123)을 중심으로 시소 형태로 기울어지게 된다. 따라서, 몸체(117)의 제2단자연결부(130b)는 상응하는 제2신호선(133)의 제1 및 제2스위칭단자(133a, 133b)와 접촉하여 제1 및 제2스위칭단자(133a, 133b)를 서로 접속시키게 된다. 그 결과 제2신호선(133)은 '온'되어 신호가 흐르게 된다.
반대로, 정전구동부(112)의 제2구동전극(114)에 전압의 공급이 차단되면, 제2구동전극(114)과 이에 대향하는 스위치패드(116)의 몸체(117)의 부분 사이에는 정전기력이 소멸되고, 이에 의해 몸체(117)의 제2단부(117b)는 도 5a에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2스프링(122, 123)의 탄성력에 의해 위로 상승하여 원위치된다. 그 결과, 몸체(117)의 제2단자연결부(130b)는 제2신호선(133)의 제1 및 제2스위칭단자(133a, 133b)로부터 이격되어 제1 및 제2스위칭단자(133a, 133b)를 서로 단락시키게 된다. 그 결과, 제2신호선(133)은 '오프'되어 신호의 흐름이 차단된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 스위치패드 및 그것을 구비한 마이크로 스위치는 스위치패드의 몸체가 중심에서 주변으로 갈수록 기판에 설치된 정전구동부의 제1 및 제2구동전극로부터 더 이격되게 형성된 구조를 가짐으로써, 제1 및 제2구동전극에 인가되는 구동전압은 종래의 직선평면형태의 스위치패드를 구비하는 RF 스위치의 경우 보다 현저하게 감소될 수 있다. 따라서, 종래의 RF 스위치와 동일하거나 그 보다 일정한도 범위내에서 낮는 구동전압을 제1 및 제2구동전극에 인가하더라도, 스위치패드의 몸체와 제1 및 제2구동전극 사이에 발생하는 정전기력은 종래의 RF 스위치에 비하여 커진다. 그러므로, 스위치패드의 몸체를 안정적으로 구동하기 위해 스위치패드의 몸체를 지지하는 스프링 구조체의 제1 및 제2스프링의 회전비틀림 강성을 낮출 필요가 없을 뿐 아니라, 제1 및 제2스프링의 회전비틀림 강성을 낮춤에 따라 제1 및 제2스프링이 진동환경에 취약해지는 문제가 방지된다.
이상에서, 본 발명의 특정한 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명 하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지와 사상을 벗어남이 없이 당해 발명에 속하는 기술분야 에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 수정과 변형실시가 가능 할 것이다.
Claims (6)
- 신호선과 접촉하거나 이격되어 신호의 흐름을 스위칭하는 마이크로 스위치의 스위치패드에 있어서,지지중심에서 주변으로 갈수록 기판에 설치된 정전구동부로부터 더 이격되게 형성된 몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치패드.
- 제1항에 있어서, 상기 몸체는 계단형태로 형성된 것을 특징으로 하는 스위치패드.
- 제1항에 있어서, 상기 몸체는 곡선형태로 형성된 것을 특징으로 하는 스위치패드.
- 기판;상기 기판위에 설치된 적어도 하나의 신호선;상기 기판위에 설치된 적어도 하나의 정전구동부;지지중심에서 주변으로 갈수록 상기 정전구동부로부터 더 이격되게 형성된 몸체를 구비하고, 상기 정전구동부의 동작에 따라 상기 신호선과 접촉하거나 이격 되어 신호의 흐름을 스위칭하는 스위치패드; 및상기 스위치패드를 상기 기판에 회동할 수 있게 지지하는 스프링 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
- 제4항에 있어서, 상기 몸체는 계단형태로 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
- 제4항에 있어서, 상기 몸체는 곡선형태로 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
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