KR20070001366A - 멤스 알에프 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멤스 알에프 스위치를 개시한 것으로서, 기판 상부로부터 소정 간격 이격되도록 지지된 접촉단자부의 회전운동에 의해 접촉단자부와 입력단자 및 출력단자를 능동적으로 연결하거나 단선시키도록 접촉단자부를 구동시키는 제 1 구동기와, 스위치의 연결 상태를 저전력으로 유지하도록 정전인력형 구동기로 이루어진 제 2 구동기로 구성된다.

이러한 구성에 의하면, 능동적으로 스위치를 단락시키고, 전력소모를 최소화하며, 접극자와 입출력단자 사이의 절연성을 증대시킴으로써, 스위치의 작동 신뢰성을 향상시킬 수 있는 멤스 알에프 스위치를 제공할 수 있다.

멤스, 알에프 신호, 스위치, 열 구동기, 압전 구동기, 정전인력 구동기

Description

멤스 알에프 스위치{MEMS RF Switch}

도 1은 종래 기술에 의한 멤스 알에프 스위치의 개략적 평면도,

도 2 내지 도 3은 도 1에 도시된 멤스 알에프 스위치의 동작 상태를 도시해 보인 개략적 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 멤스 알에프 스위치의 구성을 예시해 보인 개략적 사시도,

도 5는 도 4에 도시된 멤스 알에프 스위치의 개략적 평면도,

도 6a 내지 도 6d는 도 4에 도시된 멤스 알에프 스위치의 동작 상태를 도시해 보인 개략적 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 기판 210 : 입력단자

220 : 출력단자 310 : 스페이서

320 : 회전축 330 : 스위칭 구조체

340 : 접촉자 410 : 제 1 구동기

412 : 제 1 금속층 414 : 제 2 금속층

418 : 지지앵커 420 : 제 2 구동기

422 : 하부전극 424 : 상부전극

본 발명은 알에프 스위치에 관한 것으로서, 특히 멤스 구조물에 의해 스위치의 작동 상태를 능동적으로 제어하도록 구조가 개선된 멤스 알에프 스위치에 관한 것이다.

일반적으로 알에프(RF:Radio Frequency) 스위치는 극초단파, 즉 파장이 1 mm에서 1 m까지인 마이크로파를 사용하는 시스템에서 고전력 저잡음 증폭기와 함께 필수 불가결한 부재로서, 알에프 신호의 전송을 연결하거나 차단하는 기능을 수행한다.

알에프 스위치 중 멤스(MEMS:Micro Electro Mechanical System) 알에프(RF) 스위치는, 반도체 기판 상에 초소형으로 제작된 멤스 구조물이 움직이면서 신호전극과 접촉되는 것에 의해 신호를 스위칭 해주고, 신호전극으로부터 구조물이 이격되는 것에 의해 신호 전달을 차단하도록 구현된다.

이러한 멤스 알에프 스위치는 기존 반도체 스위치에 비하여 스위치 온의 경우 낮은 삽입 손실과 스위치 오프의 경우 높은 감쇄 특성을 나타내며, 스위치 구동전력 또한 반도체 스위치에 비하여 상당히 적은 장점을 갖는 것으로, 마이크로파나 밀리미터파를 이용하는 무선통신 시스템에서 신호의 선별전송이나 임피던스 정합회로 등에 널리 사용되는 응용소자이다.

종래 기술에 의한 멤스 알에프 스위치는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상부의 일측에 형성된 상부전극 패드(20)와; 상기 기판(10) 상부의 타측에 상호 이격되도록 형성된 입력전극(30) 및 출력전극(40)과; 상기 상부전극 패드(20)와 입력전극(30) 및 출력전극(40) 사이의 기판(10) 상부에 형성된 하부전극(50)과; 상기 상부전극 패드(20)에 전기적으로 연결되고 상기 하부전극(50)으로부터 소정 높이 이격되어 형성된 상부전극(60)과; 상기 상부전극(60)의 상하부면을 감싸도록 절연막으로 형성된 탄성지지보(70)와; 상기 입력전극(30) 및 출력전극(40)으로부터 소정 높이 이격되어 상기 탄성지지보(70)의 선단 하부에 형성된 접극자(80);를 포함하여 이루어진다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 종래 기술에 의한 멤스 알에프 스위치의 동작 상태를 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

접극자(80)가 하부의 입력 전극(30) 및 출력 전극(40)과 일정한 간격 이격되어 입력 전극(30)과 출력 전극(40)이 단선되어 있는 스위치의 오프 상태에서, 하부 전극(50)과 상부 전극(60)사이에 전압차를 인가하면 정전 인력이 발생하여 탄성지지보(70)는 아래 방향으로 처지게 된다. 이에 따라 탄성지지보(70)의 선단에 형성된 접극자(80)도 하향 이동되어 입력 전극(30) 및 출력 전극(40)과 접촉하게 되며, 접극자(80)를 통하여 입력전극(30)과 출력전극(40)이 전기적으로 연결되어 신호가 전송되는 스위치의 온 상태로 전환된다.

그리고, 스위치 온 상태에서 오프 상태로 복원되는 과정은, 스위치 오프를 위해 하부 전극(50)과 상부 전극(60) 사이의 인가 전압 차이를 제거시켜 유발되었던 정전인력을 제거함으로써, 초기의 평형상태로 되돌아가려는 탄성지지보(70)의 스프링 복원력에 의해 이루어진다.

그런데, 상기와 같은 구성 및 작용으로 이루어진 종래의 멤스 알에프 스위치는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 정전인력은 대향 전극 사이의 거리의 역수에 비례하므로 거리가 조금만 멀어져도 작아지게 되며, 이로 인해 대향 전극 사이의 거리가 일정 간격 이상 이격되어 있는 경우 정전인력형 멤스 알에프 스위치를 구동시키기 위해서는 수십 볼트의 매우 큰 구동전압을 인가해야 하므로 수 볼트의 전압만이 허용되는 기술분야에서는 적용이 제한되는 문제점이 있었다.

둘째, 장기간 반복 사용시 접극자와 입출력 전극 사이의 접촉표면 사이의 반복적인 전기적 방전(Spark) 현상으로 접극자와 입출력 전극이 서로 붙어서 떨어지지 않는 점착 현상이 발생하게 되는데, 점착현상에 의한 힘보다 스프링 복원력이 작아지게 되면 더 이상 붙었다 떨어졌다하는 스위치로서의 기능을 발휘할 수 없게 되는 문제점이 있었다.

셋째, 접극자와 입출력 전극 사이의 거리를 크게 하면 정전인력이 약해져서 탄성지지보를 아래 방향으로 끌어당길 수 없게 되고, 접극자와 입출력 전극 사이의 거리를 가깝게 할수록 스위치 오프 시 접극자와 입출력 전극의 전기적 절연성이 떨어져, 정전 인력형의 멤스 알에프 스위치는 대향 전극 사이의 간격을 일정 거리 이하로 유지해야 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 통상적인 멤스 알에프 스위치가 가진 문제점을 감안하여 이를 해소하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 큰 구동력 및 변위를 얻을 수 있는 열 구동기나 압전 구동기를 이용한 1차 구동부와, 스위치 작동 상태를 저전력으로 유지할 수 있는 정전인력 구동기를 이용한 2차 구동부를 구비하여, 능동적으로 스위치를 단락시키고, 전력소모를 최소화하며, 접극자와 입출력단자 사이의 절연성을 증대시킴으로써, 스위치의 작동 신뢰성을 향상시킬 수 있는 멤스 알에프 스위치를 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 멤스 알에프 스위치는, 기판과; 상기 기판 상부에 설치된 입력단자와 다수의 출력단자의 사이에 소정의 간극을 갖도록 형성된 전송선로와; 상기 기판 상부로부터 소정 간격 이격되도록 지지되며, 회전운동에 의해 상기 전송선로의 간극을 연결하거나 단선시키는 접촉단자부와; 상기 전송선로의 간극이 선택적으로 단속되도록 상기 접촉단자부를 구동시키는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 멤스 알에프 스위치에 있어서, 상기 전송선로는 상기 입력단자로부터 분기되어 대응되는 각각의 출력단자와 단속되도록 소정의 간극이 형성된 제 1 전송선로 및 제 2 전송선로를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명에 의한 멤스 알에프 스위치에 있어서, 상기 접촉단자부는, 상기 기판 상부에 소정의 간격을 두고 형성된 스페이서와; 상기 스페이서의 상단에 각각 연결된 회전축과; 상기 회전축의 선단에 각각 연결되어 회전운동이 가능하도 록 지지되는 스위칭 구조체와; 상기 스위칭 구조체의 선단에 설치되어 상기 전송선로의 간극을 전기적으로 연결시키는 접촉자;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 구동부는, 상기 접촉단자부와 상기 입력단자 및 출력단자를 단속시키도록 상기 접촉단자부를 구동시키는 제 1 구동기와; 상기 접촉단자부와 상기 입력단자 및 출력단자의 연결 상태를 저전력으로 유지하도록 정전인력형 구동기로 구성된 제 2 구동기;를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제 1 구동기는, 열팽창 계수가 서로 다른 제 1 금속층 및 제 2 금속층과 절연층으로 이루어진 바이몰프구조로 형성되며, 그 양단이 상기 기판 상에 구비된 지지 앵커에 의해 지지되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 제 1 구동기는, 하부전극, 압전막 및 상부전극과 절연층으로 이루어진 바이몰프구조로 형성되며, 그 양단이 상기 기판 상에 형성된 지지 앵커에 의해 지지되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제 2 구동기는, 상기 기판 상부에 형성된 하부 전극과; 상기 하부 전극으로부터 소정 간격 이격되도록 상기 접촉단자부에 설치된 상부 전극;을 포함하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멤스 알에프 스위치를 상세히 설명하기로 한다. 그리고, 이하 설명에서 복수의 동일 부재들에 대해서는 단일의 도면부호를 사용하여 기재하도록 한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 멤스 알에프 스위치는 전기적 절연성 물질로 이루어진 기판(100)과, 상기 기판(100) 상부에 설치된 입력단자(210) 와 다수의 출력단자(220)(230)의 사이에 소정의 간극(222)(232)을 갖도록 형성된 전송선로(224)(234)와, 상기 기판(100) 상부로부터 소정 간격 이격되도록 지지되며 회전운동에 의해 상기 전송선로(224)(234)의 간극(222)(232)을 연결하거나 단선시키는 접촉단자부(300)와, 상기 전송선로(224)(234)의 간극(222)(232)이 선택적으로 단속되도록 상기 접촉단자부(300)를 구동시키는 구동부(400)를 포함하여 이루어진다.

상기 전송선로는, 알에프 신호가 전송되도록 상기 입력단자(210)와 출력단자(220)(230)를 전기적으로 연결하는 것으로, 상기 입력단자(210)로부터 분기되어 대응되는 각각의 출력단자(220)(230)와 단속되도록 소정의 간극(222)(232)이 형성된 제 1 전송선로(224) 및 제 2 전송선로(234)로 구성된다.

상기 접촉단자부(300)는, 상기 기판(100) 상부에 소정의 간격을 두고 형성된 스페이서(310)와, 상기 스페이서(310)의 상단에 각각 연결된 회전축(320)과, 상기 회전축(320)의 선단에 각각 연결되어 회전운동이 가능하도록 지지되는 스위칭 구조체(330)와, 상기 스위칭 구조체(330)의 선단 하부에 설치되어 상기 전송선로의 간극(222)(232)을 전기적으로 연결시키는 접촉자(340)를 포함하여 이루어진다.

상기 구동부(400)는, 제 1 구동기(410)와 제 2 구동기(420)로 구성되며, 제 1 구동기(410)는 상기 접촉단자부(300)와 상기 입력단자(210) 및 출력단자(220)(230)를 능동적으로 연결하거나 단선시키도록 상기 접촉단자부(300)를 구동시킨다. 그리고 제 2 구동기(420)는 상기 접촉단자부(300)와 상기 입력단자(210) 및 출력단자(220)(230)의 연결 상태를 저전력으로 유지하도록 정전인력형 구동기로 구 성된다.

상기 제 1 구동기(410)는 열 구동기로 구성되며, 열 구동기는 열팽창 계수가 서로 다른 제 1 금속층(412) 및 제 2 금속층(414)과 절연층(416)으로 이루어진 바이몰프구조로 형성되며, 그 양단이 상기 기판(100) 상에 구비된 지지 앵커(418)에 의해 지지된다.

그리고, 상기 제 1 구동기(410)는 압전 구동기로 구성될 수도 있으며, 하부전극, 압전막 및 상부전극과 절연층으로 이루어진 바이몰프구조로 형성되어 그 양단이 상기 기판 상에 형성된 지지 앵커에 의해 지지되도록 구성될 수 있다.

상기 제 2 구동기(420)는, 상기 기판(100) 상부에 형성된 하부 전극(422)과, 상기 하부 전극(422)에 대응되어 정전인력을 발생시키도록 상기 하부 전극(422)으로부터 소정 간격 이격되어 상기 접촉단자부(300)의 하단에 설치된 상부 전극(424)으로 이루어지며, 상기 하부 전극(422)의 상단에는 상기 상부 전극(424)과의 사이에 절연층(426)이 형성되어 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 멤스 알에프 스위치의 작용효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 상기 접촉단자부(300)가 상기 전송선로(234)에 형성된 간극 양단과 일정한 간격 이격되어 상기 입력단자와 상기 출력단자가 단선되어 있는 스위치의 오프 상태(도 6a)에서, 상기 접촉단자부(300)의 하향 좌측에 구비된 열팽창계수가 다른 두 가지 금속층으로 이루어진 제 1 구동기(430)가 전압인가에 의해 열이 발생하면 열팽창계수 차이로 인해 좌측의 제 1 구동기(430)는 위 쪽으로 들려 올라가려는 구동력이 발생하게 된다. 이 구동력은 좌측의 접촉단자부를 위 쪽으로 밀어 올리게 되어 상기 접촉단자부는 중앙의 회전축(320)을 중심으로 시계방향의 회전운동을 하게 된다.(도 6b)

상기 접촉단자부(300)의 회전운동에 의해 우측의 접촉자(340)가 전송선로(234)에 형성된 간극의 양단과 먼저 접촉을 시작하게 되고, 우측의 정전인력 구동기 사이의 거리가 근접해 있는 상태에서 하부 전극(422)과 상부 전극(424)사이에 전압차를 인가하면 정전 인력이 발생하여 절연층을 사이에 두고 상기 상부 전극(424)과 상기 하부 전극(422)이 서로 끌어 당겨져 접촉되게 된다.(도 6c)

이러한 상태에서 좌측의 제 1구동기(430)는 전력 손실을 최소로 하기 위해 전류를 차단하여 원래의 위치로 돌아오게 되며(도 6d), 정전인력 구동기가 계속적으로 전력손실 없이 스위치의 작동 상태를 유지하게 되는 것이다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 큰 구동력 및 변위를 얻을 수 있는 열 구동기 또는 압전 구동기를 이용한 1차 구동부와, 스위치 작동 상태를 저전력으로 유지할 수 있는 정전인력 구동기를 이용한 2차 구동부를 구비하여, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있는 멤스 알에프 스위치를 제공할 수 있다.

첫째, 접촉되어 있던 접촉자와 입출력단자를 능동적으로 떨어지게 함으로써 능동적으로 스위치를 단락시킬 수 있을뿐만 아니라 저전력으로 스위치의 작동 상태를 유지하여 전력소모를 최소화할 수 있다.

둘째, 큰 변위를 얻을 수 있는 열 구동기나 압전 구동기를 이용하여 접극자와 입출력단자 사이의 간격을 크게 함으로써, 스위치 작동 변경 또는 오프 상태시에 접극자와 입출력단자 사이의 절연성을 증대시켜 알에프(RF) 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 기판과;

   상기 기판 상부에 설치된 입력단자와 다수의 출력단자의 사이에 소정의 간극을 갖도록 형성된 전송선로와;

   상기 기판 상부로부터 소정 간격 이격되도록 지지되며, 회전운동에 의해 상기 전송선로의 간극을 연결하거나 단선시키는 접촉단자부와;

   상기 전송선로의 간극이 선택적으로 단속되도록 상기 접촉단자부를 구동시키는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 알에프 스위치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전송선로는 상기 입력단자로부터 분기되어 대응되는 각각의 출력단자와 단속되도록 소정의 간극이 형성된 제 1 전송선로 및 제 2 전송선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 알에프 스위치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 접촉단자부는,

   상기 기판 상부에 소정의 간격을 두고 형성된 스페이서와;

   상기 스페이서의 상단에 각각 연결된 회전축과;

   상기 회전축의 선단에 각각 연결되어 회전운동이 가능하도록 지지되는 스위 칭 구조체와;

   상기 스위칭 구조체의 선단에 설치되어 상기 전송선로의 간극을 전기적으로 연결시키는 접촉자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 알에프 스위치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동부는,

   상기 접촉단자부와 상기 입력단자 및 출력단자를 단속시키도록 상기 접촉단자부를 구동시키는 제 1 구동기와;

   상기 접촉단자부와 상기 입력단자 및 출력단자의 연결 상태를 저전력으로 유지하도록 정전인력형 구동기로 구성된 제 2 구동기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 알에프 스위치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 1 구동기는,

   열팽창 계수가 서로 다른 제 1 금속층 및 제 2 금속층과 절연층으로 이루어진 바이몰프구조로 형성되며, 그 양단이 상기 기판 상에 구비된 지지 앵커에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 멤스 알에프 스위치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 1 구동기는,

   하부전극, 압전막 및 상부전극과 절연층으로 이루어진 바이몰프구조로 형성되며, 그 양단이 상기 기판 상에 형성된 지지 앵커에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 멤스 알에프 스위치.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 2 구동기는,

   상기 기판 상부에 형성된 하부 전극과;

   상기 하부 전극으로부터 소정 간격 이격되도록 상기 접촉단자부에 설치된 상부 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 알에프 스위치.

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