KR20100101247A - 알에프 멤즈 스위치 및 그의 구동 방법 - Google Patents
알에프 멤즈 스위치 및 그의 구동 방법 Download PDFInfo
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본 발명은 알에프 멤즈 스위치 및 그의 구동 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명의 알에프 멤즈 스위치는 이격되어 있는 신호선들과 이 신호선들에 접촉되는 접촉전극을 구비하고 있고, 상기 신호선들과 상기 접촉전극이 접촉되는 상기 신호선들 영역 또는 접촉전극 영역에 내전력용 박막이 형성된 제 1 스위치와; 상기 제 1 스위치와 병렬로 연결되어 있고, 이격되어 있는 신호선들과 이 신호선들에 접촉되는 접촉전극을 구비하고 있는 제 2 스위치로 이루어진다.
알에프, 멤즈, 스위치, 내전력, 접촉, 신호선, 전극
Description
본 발명은 신뢰성을 향상시킬 수 있는 알에프 멤즈 스위치 및 그의 구동 방법에 관한 것이다.
최근 정보 통신 기술의 발달과 더불어 소자의 소형화, 경량화 및 고성능화를 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
특히 알에프(RF) 스위치는 정보 통신 기기의 신호 제어 및 가변 소자 구현을 위한 부품으로서 응용 범위가 다양하고 소자의 소형화 및 성능에 매우 중요한 영향을 미치는 핵심 부품이다.
현재 위성 통신 안테나, 신호 제어 시스템 및 이동 통신 단말기 등에서 요구하는 사양을 충족시키기 위한 RF 스위치의 개발에 많은 노력이 집중되고 있다.
특히, 차세대 이동 통신 단말기는 PCS, CDMA, GSM, WCDMA 폰 등을 통합한 다중 대역의 통합 폰으로 발전해 나갈 것이며, 동시에 Internet, TV, GPS 등 다기능 폰의 수요가 크게 확대될 것이다.
따라서, 안테나, 파워앰프, 필터 등의 RF 부품의 임피던스(Impedance)를 폭넓은 주파수 대역에서 정합시키기 위해서, RF 스위치가 필요한데, 설명한 바와 같이 이동 통신 단말기의 다기능화 및 멀티 밴드(Multi-band) 화가 진행되면서 더욱 그 중요성이 커질 것으로 예상된다.
향후 6 대역 또는 그 이상 대역으로 증가할 경우, 기존의 RF 부품을 그대로 사용하면, 비용과 크기가 크게 증가할 수 있지만, RF MEMS 스위치를 적용함으로써, 비용 및 크기의 증가를 제한 할 수 있다.
따라서, 이러한 기술 구현을 위해 많은 연구가 이루어지고 있으며, 특히 고주파 대역 및 다중 대역 적용을 위한 가변 핵심 부품으로서 RF 스위치의 소형화 및 성능 개선이 시급한 상황이다.
기존의 RF 스위치로서 FET 나 PIN 다이오드를 이용한 전기적 스위치를 주로 사용하고 있다.
이러한 전기적 스위치는 주파수 대역이 높아지면서 삽입 손실이 커지고 동시에 신호 격리도 특성에 있어서도 한계점을 가지고 있다.
또한 스위치 구동을 위한 전력 손실이 커지고, 소자의 비선형성 및 신호 왜곡 현상으로 인하여 전체 시스템의 성능 구현을 어렵게 하는 요인이 되고 있다.
이러한 기존의 전기적 스위치의 문제점을 해결하기 위한 유력한 대안으로서 RF MEMS 스위치에 대한 연구가 많은 주목을 받고 있다.
RF MEMS 스위치는 전기적 스위치 요소를 기계적인 스위치로 대체하여 고주파 수 대역에서의 삽입 손실 특성이 개선되고 신호 격리도 또한 우수한 특성을 가지고 있다.
또한 스위치의 구동 방식에 따라 전력 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 선형성이 좋아지며, 신호의 왜곡 및 간섭을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.
하지만, 기존의 전기적 스위치에 비하여 상대적으로 취약한 것이 내전력성이다.
RF MEMS 스위치에서 저항 접촉(Resistive contact)으로 동작 시에 높은 RF 전력을 전송 시 접촉에서 열이 발생하여 접촉 부분에서 미세 용접(Micro welding) 이 일어날 수 있으며 스위치 상태가 온(ON)에서 오프(OFF) 또는 오프(OFF)에서 온(ON)으로 전이하는 동안 미세 아크(Micro arc)가 발생하여 접촉에 적용되어 있는 물질이 용융되거나 두 물질간에 전이나 마모를 유발하여 접촉 기능의 불량으로 이어져 수명이 단축되고 결국 스위치의 고장으로 이어 질 수 있는 문제가 있다.
응용 분야에 따라 차이가 있지만, 최근 들어 단말기에서 최고 수 Watt 수준의 높은 RF 전력의 전송을 필요로 하기 때문에, RF MEMS 스위치의 내전력성 개선이 크게 시급한 상황이다.
도 1은 종래 기술에 따른 멤즈 스위치의 개략적인 구성을 도시한 사시도로서, 종래 기술의 멤즈 스위치는 지지부(10)에 일측이 고정된 캔틸레버(11)와, 상기 캔틸레버(11)에 힌지(12)를 통하여 연결된 접촉전극(13)과, 상기 접촉전극(13)의 접촉으로 도통되는 신호 전송선들(21,22)로 구성된다.
이때, 상기 캔틸레버(11)가 구동부의 구동력에 의해 휘어지면, 상기 접촉전극은 캔틸레버(11)의 힘을 상기 힌지(12)로부터 전달받아 상기 신호 전송선들(21,22)에 접촉되게 된다.
그러므로, 멤즈 스위치는 끊어져 있던 신호 전송선들(21,22)이 연결되게 된다.
그리고, 구동부가 동작하지 않을 경우, 상기 신호전송선들(21,22)은 오픈 상태가 된다.
본 발명은 알에프 멤즈 스위치의 내전력성을 개선하는 과제를 해결하는 것이다.
본 발명의 바람직한 양태(樣態)는,
이격되어 있는 신호선들과 이 신호선들에 접촉되는 접촉전극을 구비하고 있고, 상기 신호선들과 상기 접촉전극이 접촉되는 상기 신호선들 영역 또는 접촉전극 영역에 내전력용 박막이 형성된 제 1 스위치와;
상기 제 1 스위치와 병렬로 연결되어 있고, 이격되어 있는 신호선들과 이 신호선들에 접촉되는 접촉전극을 구비하고 있는 제 2 스위치로 이루어진 알에프 멤즈 스위치가 제공된다.
본 발명의 바람직한 다른 양태(樣態)는,
이격되어 있는 신호선들과 이 신호선들에 접촉되는 접촉전극을 구비하고 있고, 상기 신호선들과 상기 접촉전극이 접촉되는 상기 신호선들 영역 또는 접촉전극 영역에 내전력용 박막이 형성된 제 1 스위치와; 상기 제 1 스위치와 병렬로 연결되어 있고, 이격되어 있는 신호선들과 이 신호선들에 접촉되는 접촉전극을 구비하고 있는 제 2 스위치로 이루어진 알에프 멤즈 스위치를 준비하는 단계와;
상기 제 1 스위치를 온시킨 후, 상기 제 2 스위치를 온시키는 동작을 수행하는 단계를 포함하는 알에프 멤즈 스위치의 구동 방법이 제공된다.
본 발명은 내전력용 박막들을 이용하여 신호선 및 접촉전극을 접촉 및 이탈시켜 스위치 온(On) 또는 오프(Off)시킴으로써, 높은 RF 전력이 전송되는 경우 접촉되는 영역에서 열이 발생되는 것을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 스위치 온 동작에서는 내전력용 박막을 신호선들 또는 접촉전극에 먼저 접촉시키고, 스위치 오프 동작에서는 내전력용 박막을 신호선들 또는 접촉전극에 나중에 이탈시킴으로써, 신호선들과 접촉전극이 접촉 및 이탈될 때 발생되는 미세 용접 및 아크를 내전력용 박막으로 감소시켜 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 알에프 멤즈(RF MEMS) 스위치를 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 본 발명의 알에프 멤즈 스위치는 내전력성을 개선하기 위한 것으로, RF 신호가 입력되는 제 1 신호선(220), 상기 제 1 신호선(220)과 이격되어 있는 제 2 신호선(230), 상기 제 1과 2 신호선들(220,230) 각각에 형성된 내전력용 박막들(251,252)과 상기 내전력용 박막들(251,252)에 접촉되어 상기 제 1과 2 신호선들(220,230)을 도통시키는 제 1 접촉전극(110)으로 이루어진 제 1 스위치부와; 상기 RF 신호가 입력되는 제 3 신호선(520), 상기 제 3 신호선(520)과 이격되어 있는 제 4 신호선(530), 상기 제 3과 4 신호선들(520,530)에 접촉되어 상기 제 3과 4 신호선들(520,530)을 도통시키는 제 2 접촉전극(310)으로 이루어진 제 2 스위치부로 구성된다.
여기서, 도 2에서는 상기 제 1과 2 신호선들(220,230) 각각에 내전력용 박막들(251,252)이 형성되어 있는 상태를 도시하였지만, 상기 내전력용 박막들(251,252)은 상기 제 1과 2 신호선들(220,230) 각각에 형성될 수도 있고, 또는 상기 제 1 접촉전극(110)에 형성될 수도 있다.
그리고, 상기 내전력용 박막들(251,252)의 재료는 높은 내전력 및 내화재료로 Pt,Ir,Rh 등의 귀금속 또는 W,Ni 등의 고강도 고융점 재료 등이 포함될 수 있다.
즉, 상기 내전력용 박막들은 Pt, Ir, Rh, W와 Ni 중 하나로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
또, 내전력용 박막이 형성되어 있지 않은 신호선 또는 접촉전극은 양자의 접촉 영역에 내산화성 및 저비저항을 갖는 Au가 포함된 박막을 형성할 수도 있다.
또한, 상기 제 1과 2 스위치부는 RF 입력단과 RF 출력단 사이에 병렬로 연결되어 있는 것이 바람직하다.
게다가, 본 발명의 알에프 멤즈 스위치는 상기 제 1과 2 스위치부으로 이루어진 구조물을 RF 입력단과 RF 출력단 사이에 적어도 하나 이상 설치하여 구현할 수 있다.
더불어, 본 발명의 알에프 멤즈 스위치는 상기 제 1과 2 스위치부가 하나의 소자에 집적되어 있는 구조로 구현되거나, 각각 분리된 모듈로 형성되어 패키징되어 있는 구조로 구현될 수 있다.
이렇게 구성된 알에프 멤즈 스위치는 상기 제 1과 2 신호선들(220,230) 각각에 내전력용 박막들(251,252)이 형성되어 있고, 이 내전력용 박막들(251,252)에 상기 제 1 접촉전극(110)이 접촉되어 스위치 온(On)시키는 것이므로, 높은 RF 전력이 전송되는 경우, 접촉되는 영역에서 열이 발생되는 것을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 알에프 멤즈 스위치를 구동시키는 구동부의 일례를 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 본 발명의 알에프 멤즈 스위치는 신호선들이 접촉전극의 접촉으로 도통될 수 있도록 접촉전극을 신호선들에 접촉시킬 수 있는 구동부가 더 구비되어 있는 것이 바람직하다.
이때, 상기 구동부는 정전기력(Electrostatic), 전자기력(Electromagnetic), 열(Thermal) 및 압전력(Piezoeletric) 중 적어도 하나 이상에 의해 구동되는 것이 바람직하다.
도 3은 압전력에 의하여 구동되는 구동부를 설명한 것이다.
즉, 도 2의 제 1 스위치부에는 제 1 접촉전극이 제 1과 2 신호선들에 접촉시키는 제 1 구동부가 구비되어 있고, 제 2 스위치부에는 제 2 접촉전극이 제 1과 2 신호선들에 접촉시키는 제 1 구동부가 구비되어 있는 것이다.
도 3에는 제 2 접촉전극(310)이 형성된 캔틸레버부(120)를 구비하고 있는 제 1 기판(100)과 제 3과 4 신호선들(510)이 형성되어 있는 제 2 기판(200)이 도시되어 있다.
그리고, 상기 캔틸레버부(120) 상부에는 압전 캐패시터(130)가 형성되어 있으며, 상기 제 2 접촉전극(310)과 상기 제 3 및 4 신호선들(510)은 상호 대향되어 있다.
그러므로, 상기 압전 캐패시터(130)에 전압을 인가하면, 도 4b와 같이, 상기 캔틸레버부(120)를 휘어지게 되고, 상기 캔틸레버부(120)의 휘어짐으로 상기 제 2 접촉전극(310)은 제 3과 4 신호선들(510)에 접촉된다.
따라서, 상기 제 1 접촉전극(110)이 상기 제 3과 4 신호선들(510)에 접촉됨 으로써, 상기 제 3과 4 신호선들(510)은 스위치 온되는 것이다.
이때, 상기 압전 캐패시터(130)에 전압의 인가를 차단하면, 도 4b와 같이, 상기 제 2 접촉전극(310)은 상기 제 3과 4 신호선들(510)로부터 이탈되어 원래 상태로 복귀하게 된다.
그러므로, 상기 제 2 접촉 전극(310)이 접촉되지 않은 상기 제 3과 4 신호선들(510)은 오프(Off) 상태가 된다.
한편, 상기 압전 캐패시터(120)는 하부전극, 압전체와 상부전극이 적층되어 형성된 구조를 갖는다.
그리고, 상기 압전체는 압전계수가 큰 물질인 PZT를 사용하는 것이 바람직하며, 이 PZT를 압전체로 사용하게 되면 낮은 전압에서도 캔틸레버의 수직방향으로의 움직임을 크게 할 수 있기 때문에, 초기 상태인 오프 상태에서의 삽입손실을 저하시킬 수 있다.
이러한, 압전 방식을 이용한 알에프 멤즈 스위치는 구동 전압이 5V 이하이면서 동시에 삽입 손실, 격리도, 소모 전력 등이 우수하다.
도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 알에프 멤즈 스위치의 스위치 온 구동 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 6a와 6b는 본 발명에 따른 알에프 멤즈 스위치의 스위치 오프 구동 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
본 발명의 알에프 멤즈 스위치의 구동 방법은 먼저,이격되어 있는 신호선들 과 이 신호선들에 접촉되는 접촉전극을 구비하고 있고, 상기 신호선들과 상기 접촉전극이 접촉되는 상기 신호선들 영역 또는 접촉전극 영역에 내전력용 박막이 형성된 제 1 스위치와; 상기 제 1 스위치와 병렬로 연결되어 있고, 이격되어 있는 신호선들과 이 신호선들에 접촉되는 접촉전극을 구비하고 있는 제 2 스위치로 이루어진 알에프 멤즈 스위치를 준비한다.
여기서, 상기 제 2 스위치의 신호선들과 접촉전극에 접촉되는 영역 각각에는 Au가 포함되어 있는 것이 바람직하다.
상기 알에프 멤즈 스위치의 스위치 온 동작을 수행하기 위하여, 상기 제 1 스위치를 온시킨 후, 상기 제 2 스위치를 온시키는 동작을 수행한다.
그리고, 알에프 멤즈 스위치의 스위치 오프 동작을 수행하기 위하여, 상기 제 2 스위치를 오프시킨 후, 상기 제 1 스위치를 오프시키는 동작을 수행한다.
즉, 본 발명은 스위치 온 동작에서는 내전력용 박막을 신호선들 또는 접촉전극에 먼저 접촉시키고, 스위치 오프 동작에서는 내전력용 박막을 신호선들 또는 접촉전극에 나중에 이탈시킴으로써, 신호선들과 접촉전극이 접촉 및 이탈될 때 발생되는 미세 용접 및 아크를 내전력용 박막으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
더 세부적으로 도 5a 내지 도 5c 및 도 6a와 도 6b를 참조하여 설명한다.
도 5a와 같은 알에프 멤즈 스위치에서 스위치 온 동작을 수행하기 위하여, 도 5b와 같이, 내전력용 박막(251,252)이 형성되어 있는 제 1과 2 신호선들(220,230)에 제 1 접촉전극(110)을 접촉시킨다.
그 다음, 도 5c와 같이, 상기 내전력용 박막(251,252)이 형성되어 있지 않은 제 3과 4 신호선들(520,530)에 제 2 접촉전극(110)을 접촉시킨다.
또한, 스위치 오프 동작을 수행하기 위하여, 도 6a와 같이, 상기 내전력용 박막(251,252)이 형성되어 있지 않은 제 3과 4 신호선들(520,530)에 제 2 접촉전극(110)을 이탈시킨다.
그 후, 상기 내전력용 박막(251,252)이 형성되어 있는 제 1과 2 신호선들(220,230)에 제 1 접촉전극(110)을 이탈시킨다.
도 7은 본 발명에 따라 알에프 멤즈 스위치가 스위치 온을 위한 바람직한 클럭 파형도로서, 전술된 바와 같이, 알에프 멤즈 스위치의 스위치 온 동작을 수행하기 위하여, 상기 제 1 스위치를 온시킨 후, 상기 제 2 스위치를 온시키는 동작을 수행한다.
이때, 상기 제 1 스위치를 온시키기 위한 하이레벨의 클럭 신호(B)가 구동부에 인가된 후, 상기 하이레벨의 클럭 신호(B)가 유지되는 시간에 제 2 스위치를 온시키기 위한 하이레벨의 클럭 신호(B)가 구동부에 인가하여, 알에프 멤즈 스위치의 스위치 온 동작을 수행하는 것이 바람직하다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 알에프 멤즈 스위치는 내전력성 박막을 이용하여 내전력성을 상당 부분 개선할 수 있고, 단말기 등을 포함한 이동 통신 및 고전 력용 스위치 소자등에 적용될 수 있고, 고전력 및 핫 스위칭(Hot swiching) 분야에서 기존의 스위치를 대체 및 신규 응용 분야에 적용할 수 있는 장점이 있다.
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.
도 1은 종래 기술에 따른 멤즈 스위치의 개략적인 구성을 도시한 사시도
도 2는 본 발명에 따른 알에프 멤즈(RF MEMS) 스위치를 설명하기 위한 개략적인 단면도
도 3은 본 발명에 따른 알에프 멤즈 스위치를 구동시키는 구동부의 일례를 설명하기 위한 개략적인 단면도
도 4a와 4b는 본 발명에 따른 알에프 멤즈 스위치를 구동시키는 구동부의 동작을 설명하기 위한 개략적인 단면도
도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 알에프 멤즈 스위치의 스위치 온 구동 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도
도 6a와 6b는 본 발명에 따른 알에프 멤즈 스위치의 스위치 오프 구동 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도
도 7은 본 발명에 따라 알에프 멤즈 스위치가 스위치 온을 위한 바람직한 클럭 파형도
Claims (9)
- 이격되어 있는 신호선들과 이 신호선들에 접촉되는 접촉전극을 구비하고 있고, 상기 신호선들과 상기 접촉전극이 접촉되는 상기 신호선들 영역 또는 접촉전극 영역에 내전력용 박막이 형성된 제 1 스위치와;상기 제 1 스위치와 병렬로 연결되어 있고, 이격되어 있는 신호선들과 이 신호선들에 접촉되는 접촉전극을 구비하고 있는 제 2 스위치로 이루어진 알에프 멤즈 스위치.
- 청구항 1에 있어서,상기 내전력용 박막들은,Pt, Ir, Rh, W와 Ni 중 하나로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 알에프 멤즈 스위치.
- 청구항 1에 있어서,상기 신호선들은 RF 신호가 전송되는 신호선들이며,상기 제 1과 2 스위치부으로 이루어진 구조물을 RF 입력단과 RF 출력단 사이에 적어도 하나 이상 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 알에프 멤즈 스위치.
- 청구항 1에 있어서,상기 제 1과 2 스위치부는 하나의 소자에 집적되어 있는 구조이거나, 또는 각각 분리된 모듈로 형성되어 패키징되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 알에프 멤즈 스위치.
- 청구항 1에 있어서,상기 제 2 스위치의 신호선들과 접촉전극에 접촉되는 영역 각각에는 Au가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 알에프 멤즈 스위치.
- 청구항 1에 있어서,상기 접촉전극을 신호선들에 접촉시킬 수 있는 구동부가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 알에프 멤즈 스위치.
- 청구항 6에 있어서,상기 구동부는,정전기력(Electrostatic), 전자기력(Electromagnetic), 열(Thermal) 및 압전 력(Piezoeletric) 중 적어도 하나 이상에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 알에프 멤즈 스위치.
- 이격되어 있는 신호선들과 이 신호선들에 접촉되는 접촉전극을 구비하고 있고, 상기 신호선들과 상기 접촉전극이 접촉되는 상기 신호선들 영역 또는 접촉전극 영역에 내전력용 박막이 형성된 제 1 스위치와; 상기 제 1 스위치와 병렬로 연결되어 있고, 이격되어 있는 신호선들과 이 신호선들에 접촉되는 접촉전극을 구비하고 있는 제 2 스위치로 이루어진 알에프 멤즈 스위치를 준비하는 단계와;상기 제 1 스위치를 온시킨 후, 상기 제 2 스위치를 온시키는 동작을 수행하는 단계를 포함하는 알에프 멤즈 스위치의 구동 방법.
- 청구항 8에 있어서,상기 제 1 스위치를 온시킨 후, 상기 제 2 스위치를 온시키는 동작을 수행하는 단계 후에,상기 제 2 스위치를 오프시킨 후, 상기 제 1 스위치를 오프시키는 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 알에프 멤즈 스위치의 구동 방법.
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