KR20080019577A - Ｍｅｍｓ 액츄에이터 및 ｍｅｍｓ 스위치 - Google Patents

Abstract

MEMS 구조체들은 이동가능한 전도성 부재들을 통하여 전류가 인가되는 기존 기술보다 더 높은 전류 수용력을 가질 수 있는 이동가능한 전도성 부재와, 전류를 수용하는 다수개의 고정 접촉단자들을 구비한다.

부가적인 전류 제한 장치들의 요구 없이 1.0 암페어(Ampere)를 초과하는 전류를 수용할 수 있는 특성은 본 발명에 따른 구조체들을 구비하는 시스템의 전반적인 시스템 구성 비용의 감소를 실현시킨다.

MEMS 캔틸레버 액추에이터, 고온 암 부재, 저온 암 부재, MEMS 스위치

Description

ＭＥＭＳ 액츄에이터 및 ＭＥＭＳ 스위치{MEMS ACTUATORS AND SWITCHES}

본 발명은 마이크로 전자기계시스템(MEMS: MicroElectroMechanical Systems: 이하, MEMS 라 칭함)에 관한 것으로, 특히 부가적인 전류 제한 장치가 요구되지 않도록 개선된 MEMS 장치에 관한 것이다.

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)는 작고, 이동가능하며, 특징적인 반도체 공정을 이용하여 구축된 기계적인 구조체이다. 바람직하게는, MEMS는 많은 응용 분야에서 유용함이 입증된 액츄에이터(Actuator)로서 제공될 수 있다.

오늘날, MEMS 액츄에이터는 길이가 불과 몇백 마이크로미터(μm)이고, 폭은 단지 몇십 마이크로미터(μm)로 형성된 초소형 장치이다. 이러한 MEMS 액츄에이터들은 통상 캔틸레버 (Cantilever) 형식으로 설정되고 배치된다. 다시 말하면, MEMS 액츄에이터는 기판에 부착되는 일단부와, 중립 위치와 편향된 위치인 적어도 두 가지의 위치 사이에서 이동가능한 자유단인 타단부를 가진다.

가장 통상적인 작용 매커니즘(Actuation Mechanism)들 중에서, 정전기, 자기, 피에조(Piezo) 및 열(Thermal) 작용 매커니즘들은 MEMS에 이용된다. 이 중 특 히 중요한 것은 열형식 작용 매커니즘이다.

당업자가 이해하는 것과 같이, 열형식 MEMS 액츄에이터의 편향은 "앵커 패드"(Anchor Pads)라 불리는 한 쌍의 단자 사이에 인가되는 전위에 의해 초래되며, 이 전위는 상기 구조체의 온도를 상승시키는 전류를 발생시킨다. 이것은 궁극적으로 사용되는 재료에 따라 그의 일부의 수축 또는 신장을 일으킨다.

MEMS 액츄에이터에 대한 가능한 하나의 용도는, 이들을 스위치로서 구성하는 것이다. 이들 스위치는 적어도 하나 이상의 액츄에이터로 이루어진다. 다수의 액츄에이터의 경우, 이들은 그들 부분 중의 어느 한 부분을 다른 쪽의 유사한 부분에 접속 또는 해제될 수 있도록 순차적으로 작동한다. 이들 액츄에이터는 각 액츄에이터 상에 대응하는 앵커 패드에 인가된 제어전압을 이용하여 선택적으로 개폐가능한 스위치를 형성한다.

MEMS 스위치는 많은 이점을 지닌다. 무엇보다도 이들은 형태에 따라 매우 소형이고 비교적 저렴하다는 것이다. 이들은 매우 소형이기 때문에, 매우 많은 수의 MEMS 스위치가 하나의 웨이퍼에 탑재될 수 있다.

많은 이점 중에서, MEMS 스위치는 전력소비도 매우 작고, 그들의 응답시간도 극히 짧다. MEMS 스위치를 완전히 개폐하는 주기는 수 밀리 초(Millisecond)에 달할 정도로 매우 짧을 수 있다.

기존의 MEMS 액츄에이터 및 스위치가 어느 정도는 만족스러웠다고 할지라도, 여전히 그들의 성능, 신뢰성 및 제조성을 더욱 개량할 필요는 여전히 존재하였다. 예를 들어, MEMS 스위치를 사용하는 시스템의 전반적인 비용을 증가시키는 일반적인 한 요인은 특정 수요층에서 때때로 요구되는 부가적인 보호 장치의 포함이다.

MEMS 기반 시스템의 비용을 증가시키는 부가적인 보호 장치의 한 종류는 전류 제한 장치이다. 이러한 전류 제한 회로는 회로 내에서 발생하는 비교적 큰 전류 피크에 의해 각각의 MEMS 스위치가 손상되는 것을 방지하는 외부 장치이다.

대부분 단거리 내의 이러한 전류 피크는 보호되지 않은 MEMS 스위치를 손상시킬 수 있다. MEMS 기반 시스템 내에서, 다수의 전류 보호 회로 필요성을 제거하는 것은 이들 시스템의 전반적인 비용을 상당히 감소시킬 수 있고, 기존보다 현저한 발전을 이룰 수 있다.

도 1은 본 발명의 이론들에 따라 구성된 MEMS 스위치(MEMS Switch, 100)의 예를 도시한다. 상기 스위치(100)는 두 개의 MEMS 액츄에이터들(MEMS Actuators, 10, 10')로 이루어진다. 상기 MEMS 스위치(100)는 지지 암(Support Arm, 108)의 단부에 탑재된 이동가능한 전도성 부재(106)를 이용하여, 한 쌍의 접촉 단자들(Contact Terminals, 102, 104) 간에 회로를 선택적으로 단락(Close) 또는 개방(Open)하기 위하여 이용된다.

MEMS 스위치(100)가 단락된 위치에 있을 때, 상기 접촉 단자들(102, 104)은 전기적으로 접속되는데, 즉 두 개의 접촉 단자들(102, 104) 간에 전류가 흐를 수 있다. 이러한 전기적 접속은 상기 이동가능한 전도성 부재(106)가 상기 한 쌍의 접촉 단자들(102, 104)과 "단락"될 때 실현된다.

반대로, 상기 MEMS 스위치(100)가 개방 위치에 있을 때에는 상기 접촉 단자들(102, 104)은 전기적으로 접속되지 않으며, 감지할 수 있을 정도의 어떠한 전류도 그들 사이에서 흐르지 않는다. 상기 실시예에서는 상기 이동가능한 전도성 부재(106)는 금(Gold)으로 도금된다.

여기서 도시된 것과 같은 접촉 단자들(102, 104)과, 이동가능한 전도성 부재(106)를 이용하는 것은 전도성 통로가 MEMS 액츄에이터들(10, 10') 자체의 길이를 따라 형성된 MEMS 장치들보다 더 높은 전류를 인가할 수 있다. 그리고, 본 발명의 MEMS 구조체의 직접적인 결과로서 전류 제한기들을 이용하지 않고, 동시에 MEMS 스위치들을 구비하는 것이 가능하다. MEMS 스위치들을 구비한 결과로서, 시스템의 전반적인 제조 비용을 상당히 감소시킬 수 있다.

도 2a 및 도 2b를 보면, 도 1에서 캔틸레버(Cantilever) 방식으로 기판(12)에 고정된 MEMS 액츄에이터들(10, 10')의 단면도가 도시된다. 상기 기판(12)의 일예는 기판으로 매우 잘 특정되는 실리콘 웨이퍼이다. 그러나, 기존의 이러한 기술에 의해 쉽게 적용될 수 있으므로 본 발명은 실리콘 기판들로 제한하지 않는다.

다시 도 1로 돌아가면, 상기 각각의 MEMS 액츄에이터들(10, 10')은 공간적으로 떨어져 있는 두 개의 분할부들(Portions, 22, 22')을 지닌 장방형의 고온 암 부재(Hot Arm Member, 20, 20')를 구비한다. 공간적으로 떨어져 있는 두 개의 분할부들(22, 22')의 일단부에는 기판(12)에 접속된 대응하는 앵커 패드(Anchor Pad, 24, 24')가 설치되어 있다.

상기 공간적으로 떨어져 있는 분할부들(22, 22')은 실질적으로 평행하며, 앵커 패드(24, 24')의 반대쪽에 있고, 기판(12)과 중첩되는 공통단(Common End, 26)에서 하나로 연결되어 있다.

또한, 상기 액츄에이터들(10, 10') 각각은 고온 암 부재(20, 20')와 인접하고 실제로 평행한 장방형의 저온 암 부재(Cold Arm Member, 30, 30')도 구비하고 있다. 상기 저온 암 부재(30, 30')의 일단부에는 기판(12)에 접속된 앵커 패드(32)를 구비하고, 상기 자유단(34, 34')은 상기 앵커 패드(32, 32')의 반대쪽에 배치되어 있다. 상기 자유단(34, 34')은 기판(12)에 중첩되어 있다.

상기 고온 암 부재(20, 20')의 분할부들(22, 22)의 공통단(26, 26') 및 저온 암 부재(30, 30')의 자유단(34, 34') 위에는 절연 구속재(Dielectric Tether, 40, 40')가 부착되어 있다. 이 절연 구속재(40)는 고온 암 부재(20)와 저온 암 부재(30)를 기계적으로 결합하되, 이들을 전기적으로는 절연을 유지시킴으로써, 이들 사이에 최소의 간격으로 서로 이격된 관계를 유지시켜 상기 부재들(20, 30 및 20', 30') 사이의 간격에 비례하는 요구되는 내전압(Withstanding Voltage)을 유지하는 동시에 정상 가동시의 직적접인 접촉 또는 단락을 피하는 데 이용된다.

최대 이용 전압은 대기압의 변동으로 증가할 수 있다는 점에 주목해야 한다. 예를 들어, 대기압과 같은 높은 음전(Electro-Negative) 가스체들을 이용하는 것은 내전압을 증가시킬 수도 있다. 이러한 가스체의 한 종류를 예를 들면 SF6(Sulfur Hexafluoride)이다.

상기 절연 구속재(40, 40')는 원하는 소정 위치의 바로 그 자리에 직접 성형되어, 직접 접착에 의해 부착되어 있다. 또한, 직접 성형은 응고되기 전에 이들 부분 사이의 공간에 소량의 재료만이 들어가는 것을 허용한다. 단, 상기 절연 구속재(40, 40')는 도 1에 도시된 것과는 다른 방식으로 고온 암 부재(20)와 저온 암 부재(30)에 부착될 수 있는 것은 물론이다. 덧붙이면, 상기 절연 구속재(40, 40')는 도면에서 도시된 바와 같이 투명할 수 있다.

상기 각각의 절연 구속재(40, 40')는 바람직하게는 전체적으로 포토레지스트 물질로 이루어지는 것이다. 그 목적에 매우 적합하고 제조가 용이한 재료로는 상품명 "SU-8"로 공지된 재료가 알려져있다. SU-8은 에폰(EPON) SU-8 에폭시 수지(쉘 화학사 제품)에 기초한 네가티브의 에폭시형 근자외선 포토레지스트(near-UV photo resist)이다. 설계 사양에 따라 기존의 다른 포토레지스트도 사용가능함은 물론이다. 기타 가능한 적합한 재료로서는, 폴리이미드, SOG(Spin On Glass), 옥사이드(Oxide), 나이트라이드(Nitride), ORMOCORE™, ORMOCLAD™ 또는 기타 폴리머들을 들 수 있다. 또한, 본 발명의 범위 내에서 상이한 재료를 배합한 것도 가능하다. 대응하는 액츄에이터(10, 10') 위쪽에 각각의 절연 구속재(40, 40')를 설치하는 것은, 상기 열거한 재료를 이용하는 것을 허용하고, 따라서 구속재 재료에 대해 한층 유연성을 제공하는 동시에 더욱 큰 신뢰성을 제공할 수 있기 때문에 유리하다.

사용시, 고온 암 부재(20, 20')의 앵커 패드(24, 24')에 제어 전압이 인가되면, 제1 및 제2 분할부(22, 22')에 전류가 흐르게 된다. 예시된 다양한 실시 형태에 있어서, 고온 암 부재들(20, 20')을 제조하는 데 이용되는 재료는, 실질적으로 가열에 따라 길이가 증가되는 것이 선택된다. 하지만, 저온 암 부재(30, 30')는 초기에 전류가 그들을 통과하지 않기 때문에 그러한 신장성은 실질적으로 지니지 않는다. 그 결과, 제어 전압이 앵커 패드들(24, 24')에 적용될 때 고온 암 부재들(20, 20')에 전류가 흐르게 되어 그들의 열을 발생시키고, 액츄에이터(10, 10')의 각 자유단은 상기 부분의 비대칭 형태로 인하여 비스듬하게 편향됨으로써, 액츄에이터들(10, 10')을 중립 위치에서 편향된 위치로 이동시키게 된다. 역으로, 상기 앵커 패드들(24, 24')로부터 제어 전압을 제거하여 고온 암 부재(20, 20')를 냉각시키면 원래의 위치로 이동되게 된다. 이들 두 동작들은(중립에서 편향되게, 편향에서 다시 중립으로) 매우 신속하게 발생한다.

바람직하게는, 각각의 저온 암 부재(30, 30')는 편향된 위치와 중립 위치 간의 동작을 용이하게 하기 위하여 앵커 패드(32, 32')에 인접한 협부(狹部, Narrower Section, 36, 36')를 포함하여 이루어진다. 상기 각 협부(36, 36')는 저온 암 부재(30, 30')의 광부(廣部, Wider Section, 38, 38')에 비하여 바깥쪽으로부터 횡방향으로 감소되는 폭을 가진다. 바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 폭의 감소는 직각을 이룬다. 기존과 구분될 수 있는, 다른 형상들도 가능하다.

도 1에 나타낸 실시예의 각각의 액츄에이터(10, 10')는 서로 공간적으로 떨어져 있는 두 개의 추가적인 절연 구속재(Dielectric Tethers, 50, 50') 세트를 포함한다. 이러한 추가적인 절연 구속재들(50, 50')은 고온 암 부재(Hot Arm Member, 20, 20')의 분할부들(22, 22') 및 저온 암 부재(Cold Arm Member, 30, 30')에 걸쳐서 수평으로 놓여 있다. 일반적으로, 이들은 이들 부품에 접착된다.

상기 액츄에이터(10, 10')에 추가적인 절연 구속재(50, 50')를 적어도 하나 이상 제공하는 것이 바람직한데, 이는 상기 고온 암 부재(20, 20')가 시간이 지나면서 변형되는 것을 막기 위하여 이들 절연 구속재가 자신의 유효 길이를 줄임으로써 상기 고온 암부재(20, 20')에 추가적인 강도를 제공하기 때문이다.

상기 부분들 사이의 간격이 매우 협소하므로 상기 고온 암 부재(20, 20')의 분할부(22, 22') 사이 또는 저온 암 부재(30, 30')와 이에 매우 근접된 고온 암 부재(20, 20')의 분할부(22, 22') 사이에 전기적 단락이 일어날 위험이 있는데, 이 때 상기 추가적인 구속재들(50, 50')은 이들이 공간적으로 서로 떨어져 있는 구조를 유지시켜줌으로써 이러한 위험을 감소시킨다.

더불어, 몇몇 구조에서 상기 저온 암 부재(30, 30')로 고압 전기 신호가 지날 수 있으므로, 상기 저온 암 부재(30, 30')에 매우 근접된 고온 암 부재의 분할부(22, 22')에서 변형이 일어나고 이 때문에 고압 신호에 의하여 생기는 정전기력(Electrostatic Force) 때문에 상기 저온 암 부재(30, 30') 방향으로 움직일 수 있다. 만약 고온 암 부재(20, 20‘)의 분할부(22, 22’)가 저온 암부재(30, 30‘)와 너무 근접한다면 전압절연이 파괴될 수 있어서 MEMS 스위치를 망가뜨리게 된다. 결국, 상기 고온 암 부재(20, 20')의 분할부(22, 22')들의 길이가 상대적으로 길기 때문에 편향시키기 위하여 가열했을 경우 변형이 일어나 버리는 경향이 있는데, 이 때문에 액츄에이터들(10, 10')의 유효 행정(effective stroke)이 줄어들게 된다.

하나나 둘 또는 그 이상의 절연 구속재(50, 50')를 사용하면 많은 장점이 있는데, 이러한 장점에는 상기 고온 암 부재(20, 20')의 분할부들(22, 22')의 강도를 높일 수 있다는 점, 액츄에이터들(10, 10')의 행정을 늘릴 수 있다는 점, 상기 고온 암 부재(20, 20')의 분할부들(22, 22') 사이에서 단락의 위험성을 줄일 수 있다는 점 및 상기 저온 암 부재들(30, 30')과 고온 암 부재들(20, 20') 사이의 절연 파괴 전압을 증가시킬 수 있다는 점이 포함된다.

추가적인 절연 구속재(50, 50')는 주 절연 구속재(40, 40')와 동일하거나 유사한 재료로 만들어진다. 접착을 더 좋게 하기 위하여 응고되기 전에 부품들 사이로 적은 양의 구속 재료를 흘려 보내는 것이 바람직하다. 더불어서, 상기 저온 암 부재(30, 30')에 하나나 그 이상의 여러 개의 홀 또는 통로들(미도시)을 구비하여 적은 양의 구속재가 응고되기 전에 이를 수용할 수 있도록 할 수 있다.

추가적인 절연 구속재(50, 50')는 바람직하게는 각 액츄에이터(10, 10')의 길이 방향으로 확장점(22a, 22a')을 구비한다. 이러한 확장점(22a, 22a')은 더 큰 접촉 면적을 제공하고, 또한 전류가 그 내부로 흐를 때 더 큰 열을 감쇄하는데 기여한다. 더 큰 면적을 제공하며 더 큰 열이 감쇄되도록 허용하는 것은 상기 액츄에이터의 수명을 증가시킨다.

계속해서 도 1을 보면, 바람직한 실시예의 상기 액츄에이터(10, 10')가 상기 저온 암 부재(30, 30')의 자유단(34, 34') 끝에 팁 부재(tip member, 60, 60')를 구비하고 있음을 보여준다. 이러한 구조에서는, 상기 팁 부재(60, 60')가 MEMS 스위치(100)를 전력없이 그의 "온(On)" 위치를 유지할 수 있도록 기계적인 래치를 수행하는데 이용된다. 팁 부재(60, 60') 간에 전기적으로 연결되도록 형성할 필요가 있는 다른 구조에서는, 상기 팁 부재(60, 60')의 표면의 특성은 자신과 같은 두 개의 팁 부재(60, 60')가 서로 접촉할 때, 그 접촉 저항을 줄일 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다.

이는 바람직한 실시예에서 팁 부재(60, 60')가 금으로, 즉 전체적으로 금이거나 혹은 금 도금으로 이루어지도록 함으로써 이를 이룰 수 있다. 다른 가능한 재료에는 금-코발트 합금, 팔라듐 등이 있다. 이들은 상기 저온 암 부재(30, 30')에 바람직하게 사용되는 니켈과 비교해서 더 낮은 접촉 저항값을 가지게 한다. 상기 고온 암 부재(20, 20) 또한 니켈로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 고온 암 부재(20, 20)와 저온 암 부재(30, 30')에는 다른 재료들도 쓰일 수 있다.

다시 도 2로 돌아오면, 한 액츄에이터(10')의 상기 팁 부재(60')가 상기 자유단(34, 34') 아래 붙어있는 것을 보여준다, 바람직하게는, 판금 과정에서 재료 사이에 자연적으로 접착하는 방식을 이용하여 부착하지만, 다른 방법이 사용되어도 무방하다. 팁 부재들(60, 60')이 니켈로 구성된다면, 저온 및 고온 암들은 니켈로 형성되어야 하고, 이에 따라 상기 저온 암 부재(30, 30')의 완전한 부분을 이루게 된다.

도 3a 내지 도 3e는 MEMS 스위치(100)가 "개방 위치"로부터 "단락 위치"로 움직일 때 MEMS 액츄에이터들(10, 10')의 상관 이동의 예를 도시하는 예이다. 이에 의해 두 개의 접촉 단자(102, 104) 간에 회로가 단락된다. 액츄에이터들(10, 10')은 어느 한 위치에서 다른 위치로 넘어가려면, 순차적으로 작동하게 된다.

더욱 상세하게는, 도 3a는 MEMS 스위치(100)의 초기 위치를 도시한다. 도 3b는 제2 액츄에이터(10')의 고온 암 부재가 활성화되어 팁 부재(60')가 이의 오른쪽으로 편향되는 것을 도시한다. 그리고 나서, 도 3c에서는 제1 액츄에이터(10)의 팁 부재(60)가 대응하는 고온 암 부재(20)의 활성에 의해서 이의 오른쪽으로 편향된다

도 3d의 제2 액츄에이터(10')의 제어 전압이 해제되면, 그에 따라 제2 액츄에이터(10')의 플랜지(62')는 자신의 중립 위치로 돌아가면서 상기 제1 액츄에이터(10)의 플랜지(62) 뒷면과 접속하게 된다. 그리고 나서, 도 3e는 제1 액츄에이터(10)의 제어 전압이 순차적으로 해제되고, 이에 따라 상기 두 개의 액츄에이터(10, 10') 간에서 안정적으로 접속되는 것을 허용한다. 상기 MEMS 스위치(100)의 폐쇄는 매우 빨라서 이 모든 과정은 전형적으로 수 밀리 초 정도에 발생한다. 편리하게는, 상기 MEMS 스위치(100)는 앞서 설명된 작동들을 반대로 하면서 개방시킬 수 있다.

도 3a 내지 도 3e에서, 앞에서 도시한 바와 같이, 상기 이동가능한 전도성 부재(106)는 접촉 단자들(102, 104)과 접속이 해제되는 위치로부터 접촉 단자들(102, 104)에 대하여 회로를 단락시키는 위치로 이동된다. 상기 지지 암(108)은 회로가 단락될 때, 비스듬히 조여지고, 이는 좋은 포지티브(Positive) 접속 내에서 전도성 부재(106)를 유지하는 스프링 힘을 형성한다. 대응하는 접촉 단자들(102, 104) 간에서, 어느 한 신호 또는 단순 전류는 전도될 수 있다. 비록 이러한 통로가 두 개의 접촉 단자들(102, 104) 간에 최적화된 것은 아니지만, 필요하다면 그들 자신의 구조물을 통하여 상기 MEMS 액츄에이터들(10, 10')이 신호를 전송하는데 이용될 수 있다는 점을 주목해야 한다. 이러한 경우에는, 상기 자유단(Free End, 34)은 전기적으로 지지 암(108)과 액츄에이터(10)를 분리시키는 절연 구속재를 포함할 수도 있다.

도 4는 일 실시예를 도시한다. 이러한 실시예는 도 1에 도시된 것과 유사한데, 이는 접촉 단자들(102', 104')과 접속되는 이동가능한 전도성 부재(106')와 상기 제2 액츄에이터(10') 상에 고정되는 대응하는 지지 암(108')을 포함한다는 차이를 가진다.

도 5는 본 발명에 따른 MEMS 스위치(100) 구조물의 또 다른 일 실시예를 도시한다. 이는 두 개의 이동가능한 전도성 부재들(106, 106')과, 두 개의 대응하는 지지 암들(108, 108')을 포함한다. 단락되었을 때, 이들 MEMS 스위치(100)는 두 개의 회로를 동시에 형성한다. 이들 실시예에서는, 절연 구속재(120, 120')가 각각의 자유단(34, 34')과, 대응하는 지지 암들(108, 108') 사이에서 각각의 접촉을 전기적으로 분리시키기 위하여 제공된다.

도 6A는 또 다른 실시예를 도시한다. 이는 다수개의 평행한 분할부들을 가지는 지지 암(108)의 단부에 위치하는 이동가능한 전도성 부재(106)를 포함한다. 이들 스프링같은 구조물은 이동가능한 전도성 부재(106)이 상기 두 개의 접촉 단자들(102, 104)에 인접해 있을 때, 지지 암(108)에 더 큰 신장성을 제공한다. 쉽게 이해할 수 있듯이, 신장성은 접촉 저항과 탄성 주기에 영향을 줄 수 있다.

도 6B는 도 6A에 도시된 다양한 실시예를 도시한다. 스위치(100)의 상기 MEMS 액츄에이터들(10, 10') 중 하나는 저온 암 부재(30)와 연관된 각에서 세팅된 고온 암 부재(20)를 구비한다. 편리하게는, 이러한 각 오프셋(Angular Offset)은 MEMS 스위치(100)가 닫혔을 때, 절연 구속재(120)에서 지지 암(108)에 의해 가해진 추가적인 압력에 대한 상쇄를 제공한다.

더불어서, 이러한 각 오프셋은 기계의 피로에 대한 결과로서, 다수 주기 후에 이의 원 위치(Original Position)로부터 액츄에이터(10)가 이탈하는 것을 방지한다. 고온 암 부재(20)에서 각이 제외된 상태에서, 이동가능한 접촉 부재(106)와 접촉 단자들(102, 104) 사이의 간극은 반복된 주기를 가지는 오버 타임(Over Time)을 점차 증가시킬 수도 있다. 쉽게 알 수 있듯이, 상기 각(Angle)은 액츄에이터(10)로 더 큰 횡방향의 고정성을 제공한다.

바람직하게는, 상기 지지 암(108)은 저온 암 부재(30)를 구비하여 완전체를 형성하고, 고정된 기저부 및 스프링 부로 제작되어 상기 접촉 단자들(102, 104) 사이로 연장된 중심축 부근에서 다소 대칭되게 배치된다. 도 6C는 도 6B에서 도시된 다양한 구조물을 도시하는데, 이에 의하여 상기 액츄에이터들(10, 10')은 확장점들(Enlarged Points, 22a, 22a')를 구비하지 않는다.

도 7은 또 다른 실시예를 도시하는데, 이에 의하여 4 세트의 접촉 단자들(102, 104 와 102', 104)이 사용된다. 각각의 지지 암(108, 108')은 두 개의 대응하는 이동가능한 접촉 부재들(106, 106')을 지지하고, 두 개의 실질적으로 평행한 절편들(Segments)을 구비한 스프링과 같은 구조물 내에 형성된다. 각각의 이동가능한 접촉 부재(106, 106')는 대응하는 구속재(110, 110')에 의해 지지 암(108)에 전기적으로 종속된다.

도 8은 액츄에이터들(10, 10') 중 하나가 제1 고온 암 부재(23)에 상응하는 제2 고온 암 부재(23')를 구비한 MEMS 스위치(100)의 다른 실시예를 도시한다. 상기 제2 고온 암 부재(23')는 두 개의 대응하는 앵커 패드(25)를 구비한다. 이러한 제2 고온 암 부재(23')는 상기 MEMS 스위치(100)가 단락 위치로부터 개방 위치로 해제될 동안 활성화된다. 만약 발생한다면, 이동가능한 전도성 부재(106)와 두 개의 접촉 단자들(102, 104) 간에 발생할 수 있는 점착력(Stickiness Force) 또는 마이크로-용접(Micro-Weld)을 중화시키는데 매우 유용할 수 있다. 액츄에이터(10)가 이의 초기 위치로 되돌아갔을 때 이들 힘(Force)이 자연적인 복원력(Return Force)을 초과하는 경우에는, 상기 고온 암 부재(23')는 그들을 상쇄시키기 위하여, 반대편에서 필수적으로 부가적인 힘을 제공할 수 있다.

도 9는 각각의 액츄에이터(10, 10')가 두 개의 고온 암 부재들 대신에, 단일의 고온 암 부재로 형성된 또 다른 실시예를 도시한다. 이들 구조물은 전체 크기를 감소시키고, MEMS 스위치(100)의 신장성을 증가시킨다. 다른 한편으로는, 단일의 고온 암 부재 구조물은 유효 행정(Effective Stroke) 및 상기 접촉 단자들(102, 104)에 적용된 힘들을 감소시킨다. 한 액츄에이터(10)는 두 개의 단일 고온 암 부재들(22, 23)을 제외한 3 개의 앵커 패드들(24, 25 및 32)을 구비하고, 다른 액츄에이터(10')는 저온 암 부재(30')에 직접 연결되는 고온 암 부재(20')의 한 부분을 제외한 두 개의 앵커 패드들(24'. 32')을 구비한다. 절연 구속재(120)는 자유단(34)과 지지 암(108) 사이, 자유단(34)과 저온 암 부재(30) 사이에 구비된다.

도 10에서 18은 MEMS 스위치들(100)의 다른 종류를 도시한다. 이러한 MEMS 스위치들(100) 중에서, 이동가능한 전도성 부재(106)는 회로를 개방 또는 단락시키는 과정 중에서 수직으로 이동된다.

도 10에서, 앵커 패드들(24, 24')에 더 근접한 부분은 고온 암 부재(20)의 분할부들(22)를 이용하여 제2 액츄에이터(10')를 수직으로 이동시키는 제1 액츄에이터(10)이다. 전류는 앵커 패드들(24') 및 제1 액츄에이터(10)의 암 부재들(30)을 통하여 제2 액츄에이터(10')에 공급된다. 제1 및 제2 액츄에이터들(10, 10')은 구속재(40) 수단에 의해 하나로 연결된다. 활성화되면, 제2 액츄에이터(10')의 고온 암 부재(22)의 분할부(22')는 지지 암(108') 및 이동가능한 전도성 부재(106')를 오른쪽으로 이동시킨다. 상기 지지 암(108')은 구속재(40')의 수단에 의해서 이동가능한 전도성 부재(106')로부터 전기적으로 분리된다. 도 11은 이러한 배열의 좌측면도이다. 도 12는 도 10의 XII-XII 라인에 따른 횡단면도이다.

도 13a 내지 도 13e는 도 10의 XIII-XIII 라인에서 도시된 바와 같이, 도 10 내지 도 12의 MEMS 스위치(100)의 작동 순서를 도시한다. 초기의 "개방" 위치는 도 13a에 도시된다. 도 13b는 제1 액츄에이터가 활성화됨으로써, 이동가능한 전도성 부재(106')가 올라가는 것을 보여준다. 제1 액츄에이터가 활성화될 때, 이의 고온 암 부재는 내부로 흐르는 전류에 의해 가열된다. 이는 고온 암 부재의 길이를 증가시킨다. 도 12에 도시된 바와 같이, 고온 암 부재(20)가 상기 저온 암 부재(30)과 연관되어 수직으로 상쇄되기 때문에, 대응하는 앵커 패드로부터 벗어난 제1 액츄에이터(10)의 단부가 수직으로 들어 올려질 것이다. 결론적으로, 제2 액츄에이터(10'), 지지 암(108') 및 이동가능한 전도성 부재(106')도 마찬가지로 상승될 것이다.

도 13c는 이동가능한 전도성 부재(106)의 위치를 도시하는데, 제2 액츄에이터(10')가 힘을 받으면 접촉 단자(104) 중 하나와 연결된다. 그리고 나서, 제1 액츄에이터 내의 전압이 해제되어 제1 액츄에이터(10)의 초기 위치로 되돌아오도록 힘을 받는다. 상기 이동가능한 전도성 부재(106')는 접촉 단자(104')에 접촉될 때까지 하측을 향해 이동할 것이다. 결국에는, 전압이 제2 액츄에이터에서 해제되고, 제2 액츄에이터의 자유단이 좌측에서 이의 초기 위치를 향해 되돌아오도록 힘을 받을 것이다. 이는 접촉 단자(104')와 이동가능한 전도성 부재(106') 사이의 힘을 유지할 것이다. 이 모든 과정들이 매우 빠른 시간 내에 발생하고, 상기 언급된 모든 과정들을 역으로 하면 반대로 될 수 있다는 것에 주목해야 한다.

도 14는 도 10 내지 도 12와 다소 유사한 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 접촉 단자들(102', 104')은 MEMS 스위치(100)가 단락된 위치에 있을 때 이동가능한 전도성 부재(106')를 횡방향으로 지지하지는 않는다. 도 15a 내지 도 15e는 회로를 단락시키기 위한 다양한 단계들을 도시한다. 이러한 단계들은 도 13a 내지 도 13e와 유사하지만, 이동가능한 전도성 부재(106')가 회로가 단락되었을 때 접촉 단자(104')에 걸쳐지지 않는 예외를 가진다.

도 16 내지 도 18은 또 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 제1 액츄에이터(10)는 수평면에서 이동가능한 전도성 부재(106')를 이동시킨다. 제2 액츄에이터(10')는 이동가능한 전도성 부재를 이동시킨다. 본 실시예에서의 구동 과정은 도 13a 내지 도 13e에서 도시된 것과 유사하게 유지된다. 도 17은 이러한 구조의 단면을 도시한다. 도 18은 도 16의 XVIII-XVIII 라인에 따른 횡단면도를 도시한다.

도 16에 도시된 바와 같이, "저온 암 부재"(30)는 고온 암 부재(20')에 통합될 수 있다. 그러나, 어떠한 전류도 그 내부로 흐르지 않기 때문에, 저온 암 부재(30')는 전류가 고온 암 부재(20')의 두 개의 분할부(22')로 흐를 때 동일한 길이를 유지할 것이다. 고온 암 부재(20')의 두 개의 분할부(22')가 저온 암 부재(30)의 위치보다 약간 아래에 있기 때문에, 지지 암(108')과 이동가능한 전도성 부재(106')는 위쪽으로 이동될 것이다.

인지하고 있는 바와 같이, MEMS 스위치(100)의 다양한 구조물들은 접촉 단자들 사이에서 비교적 큰 전류를 견딜 수 있도록 설계될 수 있음이 드러난다. 편리하게는, 이러한 전류는 1 암페어를 초과할 수 있고, 심지어는 그 이상도 가능하다. 따라서, 전류 제한기들은 이러한 MEMS 스위치 구조물을 이용하여 제작된 시스템으로부터 제거될 수도 있다. 일반적으로, 각각의 액츄에이터(10, 10')는 50 내지 20 미리 암페어(Mili-Ampere) 사이의 전류로 활성화된다. 또한, 다른 값들도 가능하다.

상기 언급된 실시예들은 본 발명의 응용 분야에서 나타낼 수 있는 다수개의 가능한 특정 실시예 만을 도시한 것을 알 수 있다. 본 발명의 범위 및 정신에 벗어나지 않는 이러한 기술에 의해 다수 및 다양한 다른 변형 및 물질들로 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 대표적인 MEMS 스위치의 개요도.

도 2a와 도 2b는 도 1의 MEMS 스위치에 의해 이용된 액츄에이터의 측면도.

도 3a 내지 도 3e는 MEMS 액츄에이터들이 "개방"에서 "단락" 위치로 갈 때 도 2a와 도 2b의 MEMS 액츄에이터들의 관련 이동의 예를 개략적으로 도시한 도.

도 4는 도 1의 실시예에 따른 MEMS 스위치의 다른 실시예를 도시한 개략도.

도 5는 도 1의 실시예에 따른 MEMS 스위치의 또 다른 실시예를 도시한 개략도.

도 6A 내지 도 6C는 도 1의 실시예에 따른 MEMS 스위치의 또 다른 실시예를 도시한 개략도.

도 7은 4 세트의 접촉 단자들이 구비된 도 1의 실시예에 따른 MEMS 스위치의 또 다른 실시예를 도시한 개략도.

도 8은 하나의 액츄에이터가 제2 고온 암 부재에 구비된 도 1의 MEMS 스위치의 또 다른 실시예를 도시한 개략도.

도 9는 단일 고온 암 부재가 구비된 도 1의 MEMS 스위치의 또 다른 실시예를 도시한 개략도.

도 10은 도 1의 MEMS 스위치의 또 다른 실시예의 개요도.

도 11은 도 10의 실시예에 따른 좌측면도.

도 12는 도 10의 실시예에 따른 횡단면도.

도 13a 내지 도 13e는 도 10의 MEMS 스위치의 작동 순서를 도시한 도.

도 14는 도 10의 MEMS 스위치의 다른 실시예를 도시한 개략도.

도 15a 내지 도 15e는 도 14의 MEMS 스위치의 작동 순서를 도시한 도.

도 16은 도 1의 MEMS 스위치의 또 다른 실시예를 도시한 개략도.

도 17은 도 16의 MEMS 스위치의 단면도.

도 18은 도 17의 MEMS 스위치의 횡단면도.

이동가능한 전도성 부재들을 통하여 전류가 인가되는 기존 기술보다 더 높은 전류 수용력을 가질 수 있는 이동가능한 전도성 부재와, 전류를 수용하는 다수개의 고정 접촉단자들을 구비하는 개선된 MEMS 구조체들을 개발했다.

편리하게도, 본 발명의 구조체들은 부가적인 전류 제한 장치들의 요구 없이 1.0 암페어(Ampere)를 초과하는 전류를 수용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 구조체 들을 이용하는 시스템들은 전반적인 시스템 구성 비용이 확실히 감소되는 것이 나타난다.

Claims (10)

1. 공간적으로 분리되고, 고정된 전기적 접촉점들; 그리고

   이동가능한 액츄에이터; 를 포함하되,

   상기 이동가능한 액츄에이터는 적어도 두 개 이상의 전기적 접촉점들 간 전기적인 접촉이 이루어지도록 하기위해 활성화에 의해 편향된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
2. 청구항 1에 있어서,

   편향된 위치에서 상기 이동가능한 액츄에이터를 고정하는 래치;

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 편향된 위치에서 고정되면, 상기 이동가능한 액츄에이터를 고정시키도록 하는 래치에 적용된 어떠한 동력이라도 제거되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 액츄에이터는 적어도 두 개 이상의 고정된 전기적 접촉점들 간 전기적 접촉을 형성하기 위하여, 열처리에 의해 충분히 편향되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 이동가능한 액츄에이터는 저온 암 부재와 고온 암 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 이동가능한 액츄에이터는 전기적 전류가 상기 고온 암 부재를 통하여 흐를 때 편향되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
7. 청구항 2에 있어서,

   상기 래치는 상기 적어도 두 개 이상의 고정된 전기적 접촉점들 간 전기적 접촉을 제거하기 위하여, 선택적으로 반전될 수 있는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 적어도 두 개 이상의 고정된 전기적 접촉점들 간 인가되는 전류는 1 암페어 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
9. 청구항 8에 있어서,

   다수개의 고정된 전기적 접촉점들 중 적어도 두 개 사이에서 전기적인 접촉을 형성하기 위하여, 다수개의 이동가능한 액츄에이터들 중 각각의 하나가 개별적으로 활성화에 의해 편향될 수 있는 다수개의 이동가능한 액츄에이터들; 및

   다수개의 고정된 전기적 접촉점들;

   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
10. 청구항 1에 있어서,

    상기 이동가능한 액츄에이터는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.

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