KR20100074027A - 마이크로 전자기계 시스템 스위치 - Google Patents

Abstract

마이크로 전자기계 시스템(micro electro-mechanical system : MEMS) 스위치가 제공된다. 이 스위치는 지지 표면을 갖는 베이스 기판을 포함한다. 구동 표면은 노치를 포함하며, 연장부를 갖는 전기 접촉 표면이 제공된다. 상기 연장부는 노치내에 배치된다. 비임은 베이스 기판에 부착된다. 상기 비임은, 구동시에 휘어지며 그리고 연장부의 적어도 일부분과의 접촉을 형성하고 이를 통해 전류를 전달하도록 구성된 구동 가능한 자유 단부를 포함한다.

Description

마이크로 전자기계 시스템 스위치{MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM SWITCH}

본 발명은 일반적으로 스위치에 관한 것이며, 특히 마이크로 전자기계 시스템(micro electro-mechanical system : MEMS) 스위치에 관한 것이다.

MEMS 스위치의 사용은 종래의 고체-상태 스위치보다 장점이 있는 것으로 발견되었다. 예를 들면, MEMS 스위치는 우수한 동력 효율, 낮은 삽입 로스 및 우수한 전기적 분리를 갖는 것으로 발견되었다.

MEMS 스위치는 단락(형성) 또는 개회로(차단)를 성취하기 위해 기계적 이동을 이용하는 장치이다. 기계적 이동을 위해 필요한 힘은 정전기, 자기, 압전 또는 열 구동방식과 같은 다양한 형태의 구동 메카니즘을 이용하여 성취될 수 있다. 전형적으로, 정전기적으로 구동되는 스위치는 높은 신뢰성 및 웨이퍼 스케일 제조 기술을 갖는 것으로 증명되었다. 이러한 MEMS 스위치의 구조 및 디자인은 끊임없이 개선되어 왔다.

스탠드오프 전압(standoff voltage)(스위치의 접촉부 사이) 및 풀인 전압(pull-in voltage)(액추에이터와 접촉부 사이)과 같은 스위치 특성은 MEMS 스위치의 디자인에 있어서 고려되고 있다. 전형적으로, 보다 높은 스탠드오프 전압을 달성하기 위해 시도하면 감소된 풀인 전압의 모순되는 특성을 나타낸다. 종래에, 비임 두께 및 갭 사이즈를 증가시키면 스탠드오프 전압을 증가시킨다. 그러나, 이것은 풀인 전압을 또한 증가시키며, 바람직하지 않다.

스위치 설계에 복잡함을 추가시킴이 없이 실질적으로 높은 스탠드오프 전압을 나타내는 동시에 실질적으로 보다 낮은 풀인 전압을 나타내는 개선된 MEMS 스위치가 필요하다.

간략하게, 일 실시예에 있어서, 마이크로 전자기계 시스템 스위치가 제공된다. 스위치는 지지 표면을 갖는 베이스 기판을 포함한다. 노치를 갖는 구동 표면과, 연장부를 갖는 전기 접촉 표면이 제공된다. 연장부는 노치내에 배치된다. 비임은 베이스 기판에 부착되어 있다. 상기 비임은, 구동시 휘어지며 그리고 연장부의 적어도 일부분과의 접촉을 형성하고 이를 통해 전류를 전달하도록 구성된 구동 가능한 자유 단부를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 게이트를 갖는 기계 스위치가 제공된다. 게이트는 노치를 형성한다. 스위치는 연장부를 갖는 드레인을 포함하며, 연장부는 노치내에 배치된다. 캔틸레버 비임은 지지 기둥상에 고정되며, 캔틸레버 비임은 자유 이동 단부를 구비한다. 자유 이동 단부는 연장부와 중첩되어 드레인의 적어도 일부분과 접촉되어서, 전기 통로를 형성한다.

일 실시예에 있어서, 마이크로 전자기계 시스템 스위치가 제공된다. 스위치는 캐비티를 갖는 액추에이터를 포함하며, 정전기력을 제공하도록 구성된다. 연장부를 갖는 전극이 제공된다. 연장부는 접촉부를 포함하며, 캐비티내에 배치된다. 비임은 지지 기둥상에 고정되며, 자유 이동 단부를 구비하며, 자유 이동 단부는 구동시에 휘어져서 전극과 결합되며 이를 통해 전류를 전달한다.

일 실시예에 있어서, 기계 스위치가 제공된다. 스위치는 지지 기둥상에 고정된 캔틸레버 비임을 포함하며, 이동 부분을 포함한다. 또한, 스위치는 정전기력을 제공하도록 구성된 갭을 갖는 구동 영역을 포함한다. 전극 영역은 구동 영역에 가깝게 배치되며, 구동 영역은 노치를 형성하며, 전극 영역은 적어도 2개의 측면상에서 노치에 의해 둘러싸인 연장부를 포함한다. 이동 부분은 구동 영역에 가깝게 배치되며, 연장부와 중첩되어 약 1.5보다 큰 스탠드오프 전압 대 풀인 전압 비율을 제공한다.

스위치에서 스탠드오프 전압과 풀인 전압 사이의 비율을 증가시키는 방법이 제공된다. 이 방법은 갭을 형성하는 구동 표면을 제공하는 단계와, 상기 갭내로 연장되는 연장부를 포함하는 전기 접촉 표면을 제공하는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은 상기 구동 표면 및 상기 전기 접촉 표면상에 현수된 비임을 제공하는 단계를 더 포함한다. 또한, 이 방법은 상기 구동 표면, 상기 전기 접촉 표면 및 상기 비임을 포함하는 중첩 영역을 형성하는 단계와, 약 1.5보다 큰 스탠드오프 전압 대 풀인 전압 비율을 포함하도록 상기 중첩 영역을 최적화하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 이들 및 다른 특징, 실시형태 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명을 읽으면 보다 잘 이해될 수 있으며, 도면에서 유사한 특징부는 도면을 통해 유사한 부품을 가리킨다.

MEMS 스위치는 전기적, 기계적 또는 광학 신호 흐름을 제어할 수 있다. MEMS는 통상적으로 보다 낮은 로스 및 보다 높은 절연을 제공한다. 또한, MEMS 스위치는 고체-상태 스위치와 비교할 때 상당한 사이즈 감소, 보다 낮은 전력 소비 및 비용 이점을 제공한다. 또한, MEMS 스위치는 광대역 작동(넓은 주파수 대역에서 작동할 수 있는)과 같은 이점을 제공한다. MEMS 스위치의 이러한 기여도는 그들의 전력 취급 능력을 상당히 증가시킨다. 낮은 로스, 낮은 왜곡 및 낮은 동력 소비가 이뤄지면, MEMS 스위치는 텔레콤 어플리케이션, 아날로그 스위칭 회로 및 스위칭 동력 공급과 같은 분야에 적합할 수 있다. 또한, MEMS 스위치는, 고성능 전기-기계, 리드 계전기 및 다른 신호 기능 스위칭 기술이 현재 이용되고 있는 분야에 이상적으로 접합하다.

MEMS 스위치는 정전기, 자기, 압전 또는 열 구동방식과 같은 하나 또는 그 이상의 구동 메카니즘을 이용할 수 있다. 다른 구동 방법과 비교하면, 정전기 구동방식은 신속한 구동 속도 및 알맞은 힘을 제공한다. 정전기 구동방식은 극히 낮은 전력을 필요로 하는데, 그 이유는 나노-주울 정도의 통상적인 전력이 각 스위칭 경우에 필요하며, 스위치가 폐쇄 또는 개방 상태일 때는 전력을 소비하지 않기 때문이다. 이러한 방법은 이러한 분야에서 기계적인 릴레이에 의해 종래에 사용되었던 전력이 보다 빈약한 자기 스위치 활성화보다 전력에 민감한 분야에 보다 양호하게 적합하다. 예를 들면, 종래의 릴레이는 짧은 수명(통상적으로 1백만 사이클 정도) 동안 높은 기계적 힘(접촉 및 리턴)으로 작동된다. MEMS 스위치는 매우 보다 긴 수명 동안 매우 보다 낮은 힘으로 작동된다. 낮은 접촉력의 이점은 접촉 수명을 증가시키는 것이다. 그러나, 보다 낮은 접촉력은 접촉 작용을 질적으로 변경시키며, 특히 표면형태 및 오염에 민감성을 증가시키며, 대응하는 낮은 리턴 힘은 스위치가 들러붙기 쉽게 만든다.

우선, 도 1을 참조하면, 도면부호(10)는 본 발명의 실시형태에 따라 구성된 MEMS 스위치를 도시하는 것이다. 지지 표면(26)(또는 지지 기둥)을 갖는 베이스 기판(도 3에 도면부호(42)로 표시되어 있음)이 마련되어 있다. 노치(14)를 갖는 구동 표면(12)은 베이스 기판에 가깝게 배치되어 있다. 연장부(18)를 갖는 전기 접촉 표면(16)은 구동 표면(12)에 인접하여 배치되어 있다. 연장부(18)는 접촉 범프(20)를 포함하며, 상기 연장부(18)는 노치(14)내에 배치되어 있다. 비임(22)은 지지 표면(26)을 통해서 베이스 기판에 부착되어 있다. 비임(22)은 접촉 범프와, 구동시에 휘어져서 연장부(18)의 적어도 일부분과 접촉되고 이를 통해 전류를 전달하도록 구성된 구동 가능한 자유 단부(23)를 포함한다.

MEMS 스위치(10)의 작동 동안에, 구동 표면(12)(또한 구동부라고 하도 한다)에 전압이 가해진다. 구동 표면(12)은 이 구동 표면(12)에 가해진 전압에 비례하는 정전기력(구동시에)을 제공한다. 일 실시예에 있어서, 정전기력은 비임(22)상에 흡인력을 발휘한다. 구동 가능한 자유 단부(23)는, 구동시에 휘어지고 연장부(18)상에 배치된 접촉 범프(20)를 통해서 전기 접촉 표면(16)과의 접촉을 형성하도록 구성되어 있다. 일 실시예에 있어서, 연장부(18)와 비임(22) 사이에 설정된 접촉은 전류의 흐름을 용이하게 하고, 이러한 상태는 종종 MEMS 스위치(10)의 "전 도" 또는 "폐쇄된" 상태라고 한다. 다른 실시예에 있어서, 스위치(10)의 상태를 변경시키기 위해서, 구동 표면(12)에 가해진 전압이 끊어지며, 그 결과 비임의 탄성 복원력으로 인해서 연장부(18)와 비임(22) 사이의 접촉의 "차단(breaking)"이 이뤄진다. 이러한 상태는 종종 MEMS 스위치(10)의 "비전도" 또는 "개방" 상태라고 한다.

통상적으로, MEMS 스위치는 연장부(18)와 비임(22) 사이에 제 1 전압을 형성한다. 스탠드오프 전압(standoff voltage)은 제 1 역치 전압이라고 규정되며, 제 1 전압이 제 1 역치 전압을 초과할 때 연장부(18) 및 비임(22)은 접촉하게 된다. 유사하게, MEMS 스위치는 구동 표면(12)과 비임(22) 사이의 제 2 전압을 형성한다. 전형적으로, 풀인 전압(pull-in voltage)은 구동 표면(12)의 제 2 역치 전압이라고 규정되며, 제 2 전압이 제 2 역치 전압을 초과할 때 연장부(18) 및 비임(22)은 접촉하게 된다. MEMS 스위치의 보다 바람직한 디자인은 보다 높은 스탠드오프 전압 및 보다 낮은 풀인 전압을 필요로 하는 것을 이해할 수 있다. 동시에, 보다 높은 스탠드오프 전압을 성취하고 그리고 풀인 전압을 감소시키는 것은 모순된다. 본 발명의 실시예는 전기 접촉 표면(16), 구동 표면(12) 및 비임(22)의 구조 및 배치를 최적화함으로써 이러한 모순을 극복하기 위해 명확하게 표현되어 있다.

이제 도 2를 참조하면, 비임(22)의 부분 절취 단면이 도시되어 있다. 예시적인 실시예에 있어서, MEMS 스위치(10)는 베이스 기판(도시하지 않음)을 포함한다. 베이스 기판은 지지 표면(26)을 포함한다. 노치(14)를 구비하고, 정전기력을 제공하도록 구성된 구동 표면(12)이 제공된다. 연장부(18)를 갖는 전기 접촉 표 면(16)은 노치(14)내에 배치되어 있다. 접촉 범프(20)는 연장부(18)상에 배치되어 있다. 비임(22)(부분 절취 단면(32)을 갖도록 도시됨)은 지지 표면(16)을 통해서 베이스 기판에 고정되어 있다. 구동 가능한 자유 단부(23)를 포함하는 비임(22)은, 구동시에 화살표(25) 방향으로 휘어져서 연장부(18)의 적어도 일부분과 접촉되고 이를 통해 전류를 전달하도록 구성된다.

캔틸레버 비임이라고도 하는 비임(22)은 지지 기둥(26)상에 고정되어 있다. 액추에이터(또는 게이트)라고도 하는 구동 표면(12)은 구동시(구동 표면에 전압이 가해질 때)에 정전기력(34)을 제공하도록 구성되어 있다. 일 실시예에 있어서, 전기 접촉 표면(16)(또는 드레인)은 비임(22)에 가깝게 배치되며, 전기 접촉 표면(16)과 캔틸레버 비임(22) 사이에 전기 접속부를 제공하도록 구성된다. 비임(22)의 자유 이동 단부(23)(또는 이동 부분)는, 구동시에 휘어져서 연장부(18)상에서 접촉 범프(20)와 결합되어 이를 통해 전류를 전달하도록 구성된다.

구동 표면(12)은 통상적인 장방형 표면과 비교할 때 노치(14)를 포함하는 것을 이해할 수 있다. 연장부(18)는 노치(14)내에 배치되어, 전기 접촉 표면(16)과 비임(22) 사이에 감소된 중첩부를 제공한다. 또한, 구동 표면(12)내의 노치(14)는 비임(22)과의 중첩부를 감소시킨다. 중첩 영역은 약 1.5보다 큰 스탠드오프 전압 대 풀인 전압 비율을 달성하도록 최적화된다. 다른 실시예에 있어서, 중첩 영역은 약 1.7 내지 약 5의 턴오프 비율을 달성하도록 최적화된다.

도 3은 도 1에 도시된 MEMS 스위치의 단면도이다. 예시적인 실시예에 있어서, MEMS 스위치(10)는 베이스 기판(42)을 포함한다. 질화규소 층(44)(절연층)은 베이스 기판(42)상에 배치되어 있다. 지지 기둥(26), 구동 표면(12) 및 전기 접촉 표면(16)은 절연층(44)상에 배치되어 있다. 접촉 범프(20)는 연장부(18)의 일 단부상에 배치되어 있다. 일 실시예에 있어서, 비임(22)은 일 단부(46)에서 지지 기둥(26)상에 고정되어 있고, 자유 이동 단부(23)는 노치(14) 및 연장부(18) 위로 돌출된다. 절연층(43)은 비임(22)과 접촉 범프(24) 사이에 배치되어 있다. 접촉 범프(24)는 전기 접촉 표면(16)상의 접촉 범프(20)와 정렬되어, MEMS 스위치(10)의 "전도" 상태 동안에 구동시에 접촉을 형성한다.

작동시에, 캔틸레버 비임(22)의 이동을 용이하게 하기 위해서, 구동 표면(12)은 정전기력을 생성하도록 구성되며, 도시된 바와 같이 비임(22)에 가깝게 배치되어 있다. 전기 접촉 표면(16) 및 비임(22)은 외부 회로에 연결되어 있다. 일 실시예에 있어서, MEMS 스위치(10)는 전기 접촉 표면(16)과 비임(22) 사이의 전기 접속을 형성 또는 차단하도록 구성되어 있다. 베이스 기판(42)은 예를 들면 바이어싱 회로, 보호 회로 등등(이것으로 제한되지 않는다)과 같이 MEMS 스위치(10)가 작동될 수 있게 하는 회로를 수용한다.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 조립 층의 평면도이다. 점선으로 도시된 캔틸레버 비임(22)을 구비하는 MEMS 스위치는 도면부호(50)로 표시도어 있으며, 평면도로 도시된 바와 같이 지지 기둥(26)상에 고정되어 있다. 여기에서 설명되는 MEMS 스위치(50)는 캔틸레버 비임(22)(각종 실시예의 배치의 보다 명확한 이해를 위해서 투명으로 도시됨), 구동 표면(12) 및 전기 접촉 표면(16)을 포함한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 구동 표면(12)은 노치(14)를 형성하도록 설계되며, 그 결과 비임(22) 아래로 연장되는 감소되는 구동 영역으로 된다. 일 실시예에 있어서, 이러한 감소된 구동 영역은 감소된 풀인 전압을 야기한다. 유사하게, 전기 접촉 표면(16)과 비임(22) 사이의 중첩부는 연장부(18)로 제한되며, 비임 폭(52)을 따라서는 중첩부가 없다. 이러한 감소된 중첩부는 스탠드오프 전압을 증가시킨다. 일 실시예에 있어서, 다중 연장부는 구동 표면내의 대응 노치와 함께 비임의 폭을 따라 전기 접촉 표면상에 형성될 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 스위치내의 스탠드오프 전압과 풀인 전압 사이의 비율을 증가시키는 방법이 제공된다. 이 방법은 갭을 형성하는 구동 표면을 제공하는 단계와, 연장부를 갖는 전기 접촉 표면을 제공하는 단계를 포함하며, 상기 연장부는 갭내로 연장되어 있다. 이 방법은 구동 표면과 전기 접촉 표면상에 현수된 비임을 제공하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 구동 표면, 전기 접촉 표면 및 비임을 포함한 중첩 영역을 형성하는 단계와, 약 1.5보다 큰 스탠드오프 전압대 풀인 전압 비율을 포함하도록 중첩 영역을 최적화하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에 있어서, 중첩 영역은 약 1.7 내지 약 5의 스탠드오프 전압 대 풀인 전압 비율을 포함하도록 최적화된다.

높은 턴오프 비율은, 높은 개방 상태 분리 전압(또는 스탠드오프 전압) 및 낮은 구동 전압(풀인 전압)이 바람직한 MEMS 분야에서 중요한 인자이다. 스탠드오프 전압 및 풀인 전압 양자는 각 전극의 중첩 영역에 비례하는 정전기력을 생성한다. 바람직하게, 여기에 설명된 MEMS 스위치 설계에 의하면, 구동 표면과 전기 접촉 표면 사이의 위치를 배열하고 이들 사이의 중첩을 조정함으로써 높은 턴오프 비 율을 달성할 수 있다. 종래에, 액추에이터와 비임 사이의 비임 두께 및 거리를 증가시키는 것은 스탠드오프 전압을 증가시킨다. 그러나, 이것은 또한 풀인 전압을 증가시킨다. 이러한 모순되는 효과는 본 발명의 현재 예측되는 실시예에서 극복될 수 있다. 본 발명의 특정 실시예는 약 1.5 내지 약 5보다 큰 실질적으로 보다 큰 턴오프 비율(스탠드오프 전압과 풀인 전압 사이의 비율)을 성취하도록 설계된다.

본 발명의 단지 특정 특징부를 여기에 도시하고 설명했지만, 본 기술 분야에 숙련된 자들에 의해 많은 변형 및 변경이 이뤄질 수 있다. 따라서, 첨부된 특허청구범위가 본 발명의 진정한 정신내에 속하는 이러한 모든 변형 및 변경을 커버하고자 한다는 것을 이해해야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 MEMS 스위치의 사시도,

도 2는 부분 절취 단면을 갖는 도 1의 MEMS 스위치의 사시도,

도 3은 도 1의 MEMS 스위치의 단면도,

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 MEMS 스위치의 제조를 위한 다양한 층의 평면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : MEMS 스위치 12 : 구동 표면

14 : 노치 18 : 연장부

22 : 비임 23 : 구동 가능한 자유 단부

24 : 접촉 범프 26 : 지지 표면

42 : 베이스 기판 50 : MEMS 스위치

Claims (10)

1. 마이크로 전자기계 시스템(micro electro-mechanical system : MEMS) 스위치에 있어서,

   지지 표면을 갖는 베이스 기판과,

   노치를 포함하는 구동 표면과,

   상기 노치내에 배치되는 연장부를 포함하는 전기 접촉 표면과,

   상기 베이스 기판에 부착된 비임을 포함하며,

   상기 비임은, 구동시 휘어지고 상기 연장부의 적어도 일부분과의 접촉을 형성하고 이를 통해 전류를 전달하도록 구성된 구동 가능한 자유 단부를 구비하는

   마이크로 전자기계 시스템 스위치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동 표면은 구동 동안에 정전기력을 제공하는

   마이크로 전자기계 시스템 스위치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동 가능한 자유 단부, 상기 연장부 및 상기 구동 표면을 형성하는 중첩부를 더 포함하며, 상기 중첩부는 약 1.5보다 큰 턴오프 비율(turn off ratio)을 제공하는

   마이크로 전자기계 시스템 스위치.
4. 제 4 항에 있어서,

   상기 중첩부는 약 1.5 내지 약 5의 턴오프 비율을 제공하는

   마이크로 전자기계 시스템 스위치.
5. 기계 스위치에 있어서,

   노치를 형성하는 게이트와,

   상기 노치내에 배치된 연장부를 포함하는 드레인과,

   지지 기둥상에 고정되고, 자유 이동 단부를 구비하는 캔틸레버 비임을 포함하며,

   상기 자유 이동 단부는 상기 연장부와 중첩되어 상기 드레인의 적어도 일부분과의 접촉을 이뤄서 전기 통로를 형성하는

   기계 스위치.
6. 기계 스위치에 있어서,

   지지 기둥상에 고정되고, 이동 부분을 포함하는 캔틸레버 비임과,

   정전기력을 제공하도록 구성된 갭을 포함하는 구동 영역과,

   상기 구동 영역에 가깝게 배치된 전극 영역을 포함하며,

   상기 구동 영역은 노치를 형성하며, 상기 전극 영역은 적어도 2개의 측면상 에서 상기 노치에 의해 둘러싸여 있는 연장부를 포함하며,

   상기 이동 부분은 상기 구동 영역에 가깝게 배치되며, 상기 연장부와 중첩되어 약 1.5보다 큰 스탠드오프 전압(standoff voltage)대 풀인 전압(pull-in voltage) 비율을 제공하는

   기계 스위치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 캔틸레버 비임은 구동시에 휘어져서 상기 전극 영역과의 전기 접속부를 형성하는

   기계 스위치.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 정전기력은 스위치의 작동 동안에 제 1 전기 접촉부와 제 2 전기 접촉부 사이에 접촉력을 제공하도록 구성된

   기계 스위치.
9. 스위치에서 스탠드오프 전압과 풀인 전압 사이의 비율을 증가시키는 방법에 있어서,

   갭을 형성하는 구동 표면을 제공하는 단계와,

   상기 갭내로 연장되는 연장부를 포함하는 전기 접촉 표면을 제공하는 단계 와,

   상기 구동 표면 및 상기 전기 접촉 표면상에 현수된 비임을 제공하는 단계와,

   상기 구동 표면, 상기 전기 접촉 표면 및 상기 비임을 포함하는 중첩 영역을 형성하는 단계와,

   약 1.5보다 큰 스탠드오프 전압 대 풀인 전압 비율을 포함하도록 상기 중첩 영역을 최적화하는 단계를 포함하는

   스탠드오프 전압 대 풀인 전압 비율 증가 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 중첩 영역은 약 1.7 내지 약 5의 스탠드오프 전압 대 풀인 전압 비율을 포함하는

    스탠드오프 전압 대 풀인 전압 비율 증가 방법.

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