KR20130109166A - 자기적으로 작동되는 라미네이트 내 마이크로 전자 기계 커패시터 스위치 - Google Patents

자기적으로 작동되는 라미네이트 내 마이크로 전자 기계 커패시터 스위치 Download PDF

Info

Publication number
KR20130109166A
KR20130109166A KR1020137013755A KR20137013755A KR20130109166A KR 20130109166 A KR20130109166 A KR 20130109166A KR 1020137013755 A KR1020137013755 A KR 1020137013755A KR 20137013755 A KR20137013755 A KR 20137013755A KR 20130109166 A KR20130109166 A KR 20130109166A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
magnet
transmission line
capacitive
laminate
Prior art date
Application number
KR1020137013755A
Other languages
English (en)
Inventor
마크 배크만
관-핑 리
양 장
민펭 왕
선정 김
Original Assignee
더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 filed Critical 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Publication of KR20130109166A publication Critical patent/KR20130109166A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/005—Details of electromagnetic relays using micromechanics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes
    • H01G5/18—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes due to change in inclination, e.g. by flexing, by spiral wrapping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/01—Switches
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0109—Bridges
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/005—Details of electromagnetic relays using micromechanics
    • H01H2050/007—Relays of the polarised type, e.g. the MEMS relay beam having a preferential magnetisation direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

자기적으로 작동되는 라미네이터 내 마이크로 전자 기계 커패시터 스위치가 개시된다. 일 실시예에 따르면, 장치는 코일과, 니켈과 철 중 하나로 제조된 자기적 요소를 가지는 제1 층과; 영구 자석이 부착되는 신축성 부재를 가지는 제2 층과; 절연 유전체 코팅을 가지고, 상기 신축성 부재 또는 자석 중 하나에 부착되는 전도성 플레이트와; 신호 전도체와 근접 배치된 하나 이상의 접지 전도체 중 하나 이상을 포함하는 전송선과, 자기적 재료를 포함하는 제3 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기적으로 작동되는 라미네이트 내 마이크로 전자 기계 커패시터 스위치{MAGNETICALLY ACTUATED MICRO-ELECTRO-MECHANICAL CAPACITOR SWITCHES IN LAMINATE}
본 출원은 그 내용이 참조로 여기에 포함된 2010년 10월 29일자 출원된 "자기적으로 작동되는 라미네이트 내 마이크로 전자 기계 커패시터 스위치"란 제하의 미국 특허 가출원 제61/408,440호와 2010년 10월 29일자 출원된 "라미네이트 마이크로 장치 내에 정밀 부품을 합체하는 방법"이란 제하의 미국 특허 가출원 제61/408,410호의 우선권의 이익을 주장한다.
여기 개시된 실시예들은 전체적으로 정전용량 스위치, 보다 상세하게는 자기적으로 작동되는 라미네이트 내 마이크로 전자 기계 커패시터 스위치의 형성을 용이하게 하는 라미네이트 재료 및 방법에 관한 것이다.
전자 커패시터의 정전용량을 변화시키는 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 소자는 이들 소자가 회로 요소의 정전용량을 변화시켜 해당 회로의 전자적 특성을 변화시킬 수 있는 능력을 제공하기 때문에 무선 주파수(RF) 응용 분야에 큰 효용성을 가진다. 반도체 제조 공정과 유사한 박막 제조 기술을 이용하여 두 가지 상태의 정전용량 간을 스위칭하는 소형화된 MEMS 정전용량 소자의 구성에 많은 노력이 이루어져왔다. 이들 소자는 제1 전도성 플레이트가 제1 안정 위치로부터 제2 안정 위치까지 제2 전도성 플레이트에 더 가깝게 이동하여 평행 플레이트 커패시터를 형성하도록 작동되는 공통적인 설계를 공유한다. 제2 금속은 전기 신호를 전달한다. 소자는 오직 두 가지 안정 상태, 즉 두 개의 정전용량만을 가지므로, 해당 소자는 2-상태 정전용량 스위치 또는 단순히 정전용량 스위치로서 알려져 있다. 이렇게 설계 및 제조된 정전용량 스위치는 저하된 성능을 나타내고 고출력 신호를 스위칭할 수 없다.
성능은 여러 가지 인자에 의해 제한된다. 첫째, 소자는 실리콘 기재 상에 제조된다. 실리콘은 "손실성"인데, 이것은 전파로부터 에너지를 흡수하는 것으로 알려져 있고 또한 전도성이 미미하여 기재를 통해 전파 에너지가 일부 누설되도록 함을 의미한다. 따라서, 실리콘 상에 제조된 정전용량 스위치는 낮은 절연성과 높은 손실을 나타낸다. 추가로, 이들 소자는 정전기 인력을 통해 제2 플레이트 측으로 당겨지는 통상 1 마이크로미터 두께 미만의 금속 박막으로 구성된 제1 가동 플레이트 요소로 통상 제작된다. 제2 플레이트 상의 박막 유전체 코팅은 두 개의 플레이트 간의 직접적인 단락을 방지함으로써 해당 두 개의 플레이트가 커패시터를 형성하도록 한다. 충분한 정전기 작동을 발생시키기 위해서는 해당 두 개의 플레이트 간에 통상 40 볼트 이상의 전압이 형성되어야 한다. 결국, 플레이트들은 서로 근접되게(통상 수 마이크론 정도 이격됨) 제작되어야 하며, 막은 매우 얇고 이동이 용이하여야 한다. 막의 작동이 일어나면, 스위치가 그 작동 상태에 래치된 상태로 유지되도록 하기 위해 전압은 그대로 유지되어야 한다.
고전력 응용을 위한 MEMS 정전용량 스위치는 통상의 실리콘 기술을 이용하여 설계하는 것이 곤란하다. 실리콘 MEMS 소자(그리고 전기-주조된 금속 소자와 같은 관련 변형례)는 통상 근접 간격의 취약 소자가 된다. 대부분의 스위치는 정전기 작동을 이용하여 스위치 아암을 상대 전기적 접촉부와 접촉되게 이동시킨다. 이것은 스위치 아암이 작동 메커니즘에 근접하고 작동력이 작은 경우에만 달성될 수 있다. 이들 요건은 해당 근사치가 거의 불리한 영향을 미치지 않는 저전력(< 1 W) 응용례에 허용될 수 있다. 그러나, 고전력 응용례의 경우는 허용되지 않는다. 전도체 간의 작은 간극을 통한 파워 커플링은 고전력에서 주목할만하다. 자기(self) 충전은 고전력에서 일어나서 자기 작동 스위치("핫(hot) 스위치" 효과)를 가져오고 고전력 응용례는 고전류가 전도 요소로 통전되는 것을 필요로 하는데, 이는 통상적인 전정기 RF MEMS 소자에 서용되는 박막을 파괴할 수 있다.
실리콘 소자는 손실성 기재를 통한 전력 손실을 가져올 수 있는데, 이는 고전력 응용례의 경우 가열을 유도하여 성능 저하는 물론 소자 기능 상실을 가져올 수 있다. 또한, 거의 모든 미세 가공 소자는 궁극적으로 전기적 연결부가 소자에 만들어지고 소자를 보호하도록 보호 하우징 내에 배치되어야 한다. 이것은 RF MEMS 소자의 경우 문제가 있는데, 이는 이들 소자가 깨지기 쉽고 전기적 연결부가 소자 임피던스에 미치는 영향을 알 수 없기 때문이다.
자기적으로 작동되는 라미네이터 내 마이크로 전자 기계 커패시터 스위치가 개시된다. 일 실시예에 따른 장치는 코일과, 니켈과 철 중 하나로 제조된 자기적 요소를 가지는 제1 층과; 영구 자석이 부착되는 신축성 부재를 가지는 제2 층과; 절연 유전체 코팅을 가지고, 상기 신축성 부재 또는 상기 자석 중 하나에 부착되는 전도성 플레이트와; 신호 전도체와 근접 배치된 하나 이상의 접지 전도체 중 하나 이상을 포함하는 전송선과, 자기적 재료를 포함하는 제3 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 시스템, 방법, 특징 및 장점들은 이어지는 도면 및 상세한 설명의 검토를 통해 당업자에게는 분명해질 것이다. 추가적인 방법, 특징 및 장점들 모두는 본 발명의 설명에 포함되고, 발명의 범위 내에 있으며, 첨부된 특허청구범위에 의해 보호되도록 의도된 것이다. 또한, 본 발명은 예시적인 실시예의 상세를 필요로 하는 것으로 한정되지 않도록 의도된 것이다.
본 명세서의 일부로서 포함된 첨부 도면들은 현재의 바람직한 실시예를 예시하고, 전술한 개요의 설명 및 하기의 바람직한 실시예의 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하고 이해시키도록 제공된다.
도 1은 본 시스템의 실시예의 예시적인 단면도이다.
도 2는 실리콘 내에 제조된 통상의 RF MEMS 소자의 예시적 특징을 단면도로 나타낸다.
도 3은 본 시스템의 일 실시예에 따른 소자의 예시적인 기능 및 등가 회로를 나타낸다.
도 4는 본 시스템의 일 실시예에 따른 소자의 예시적 층들과 그 제조 방법을 나타낸다.
도 5는 본 시스템의 일 실시예에 따라 라미네이트를 기초로 한 제조 방식으로 제공된 예시적인 패널 레벨의 제조 방법을 나타낸다.
도 6은 본 시스템의 일 실시예에 따른 제2의 미세 제조 소자의 예시적인 용도를 나타낸다.
도면들은 반드시 비율에 맞게 작도될 필요는 없으며 유사 구조 또는 기능의 요소들은 예시의 목적으로 통상 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호로 표현됨을 알아야 한다. 또한, 도면들은 여기 기재된 다양한 실시예를 용이하게 설명하기 위한 목적으로만 의도된 것임을 알아야 한다. 도면들은 여기 개시된 내용의 모든 측면을 반드시 기술하는 것은 아니며, 청구범위의 범위를 한정하지 않는다.
자기적으로 작동되는 라미네이터 내 마이크로 전자 기계 커패시터 스위치가 개시된다. 일 실시예에 따른 장치는 코일과, 니켈과 철 중 하나로 제조된 자기적 요소를 가지는 제1 층과; 영구 자석이 부착되는 신축성 부재를 가지는 제2 층과; 절연 유전체 코팅을 가지고, 상기 신축성 부재 또는 상기 자석 중 하나에 부착되는 전도성 플레이트와; 신호 전도체와 근접 배치된 하나 이상의 접지 전도체 중 하나 이상을 포함하는 전송선과, 자기적 재료를 포함하는 제3 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기 개시된 실시예들은 25 mm2 미만의 점유 공간을 갖는 정전용량 스위치의 설계에 관한 것이다. 정전용량 스위치는 100 W의 무선 주파수(RF) 전력까지 취급한다. 해당 실시예들은 3개의 별도 기능층의 사용과 스위치 제조를 위한 라미네이트 재료의 사용을 포함한다. 여기 기재된 방법들은 리드 프레임, 기판, 마이크로 전자 패키지, 인쇄 회로 기판, 플렉스(flex) 회로, 리지드-플렉스(rigid-flex) 재료 중 임의의 요소 내에 또는 해당 임의의 요소 상에 직접 정전용량 스위치 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다. 해당 실시예들은 그 내용이 참조로 여기에 포함된 "음향 기판"이란 제하의 미국 특허 출원 제11/956756호와 "라미네이트, 리드 프레임, 패키지 및 인쇄 회로 기판 내 마이크로 소자의 제조 방법"이란 제하의 미국 특허 출원 제12/112925호에 개시된 기술을 참조한다.
본 발명의 일 실시예는 전자기 액츄에이터와 작동시 도전선의 정전용량을 변화시키는 가동 플레이트를 갖는 작은 스위치를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 본 발명의 정전용량 스위치는 다음의 특징을 나타낸다:
1. 라미네이트와 포일(foil)의 본딩을 기초로 한 저비용 구성;
2. 전류는 소자의 작동에 사용되므로 저 전압(5 V 미만)을 요하는 자기적으로 작동되는 메커니즘;
3. 작동 후 정전용량 스위치 내의 임의의 상태를 유지하는데 전력이 필요하지 않은 래치 상태의 동작;
4. 50 옴 전송선 상에서 10 W 신호 이상의 높은 신호 출력 신호를 처리할 수 있는 능력;
5. 50 옴 전송선 상에서 100 V 신호 이상의 높은 신호 전압을 처리할 수 있는 능력;
6. 온도에 크게 민감하지 않은 성능.
일 실시예에 따르면, 본 발명의 정전용량 스위치는 코일과 니켈 또는 철 등의 자기적 요소로 이루어진 제1 층과, 영구 자석이 부착된 신축성 부재로 이루어진 제2 층과, 절연 유전체 코팅을 가지고, 신축성 부재 또는 자석에 부착되며, 전송선에 근접 배치되도록 의도된 전도성 플레이트와, 전송선과 자기적 재료를 가지는 제3 층을 포함한다.
도 1은 본 시스템의 실시예의 예시적인 단면도를 나타낸다. 제1 층("상부 층")(101)은 패키지 캡과 소자용 구조적 요소 양자의 역할을 한다. 제1 층(101)은 자석을 작동시키는데 사용되는 코일과 자석을 래치시키는데 사용되는 자기적 플레이트를 포함한다. 제1 층(101)은 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 해당 재료는 인쇄 회로 기판과 FR-4, Rogers 또는 BT 등의 마이크로 전자 패키지 산업에 의해 통상 사용되는 라미네이트이다.
제2 층("중간 층")(103)은 소자의 가동부와, 스프링이나 플렉처(flexure)와 같이 자석과 전도성 플레이트를 가지는 신축성 요소를 포함한다. 제2 층(103)은 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 해당 재료는 인쇄 회로 기판과 FR-4, Rogers 또는 BT 등의 마이크로 전자 패키지 산업에 의해 통상 사용되는 라미네이트이다.
제3 층("바닥 층")(105)은 전송선과 이동하는 플레이트에 대해 정전용량 커플링을 형성하는데 필요한 전기적 패드를 포함한다. 제3 층(105)을 위한 재료는 바람직하게는 의도한 응용 분야에서 소자의 RF 성능을 최적화하도록 선택된다. 바람직한 실시예는 인쇄 회로 기판과 FR-4, Rogers 또는 BT 등의 마이크로 전자 패키지 산업에 의해 통상 사용되는 라미네이트이다.
상부 또는 제1의 층(101)은 함께 접합된 여러 라미네이트 층 내에 매립된 전기적 코일(107, 111)을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 코일은 구리와 같은 산업 표준 전도체로 제조되며, 다른 실시예의 경우, 자기장 출력을 높이기 위해 여러 개의 중첩 코일로서 제조된다. 제1 층(101)은 상부 층에 근접하는 가동 플레이트를 "오프" 상태로 유지하도록 된 자기적 플레이트(109)를 포함한다. 해당 플레이트는 라미네이트 내에 삽입 배치되거나 라미네이트 외부에 있을 수 있다. 자기적 플레이트는 복수의 강자성 금속으로부터 제조될 수 있고; 바람직한 실시예는 니켈을 사용한다. 자기적 재료는 상부 층(101) 위로 조립될 수 있거나 라미네이트 재료 위로 전기 화학적으로 형성될 수 있다.
중간 층(103)은 그 중앙 영역이 개방되어 있고, 플렉처 또는 스프링(113)과 같은 신축성 구조를 가진다. 신축성 구조(113)는 임의의 적합한 박막 재료나 포일로부터 제조될 수 있으며; 바람직한 실시예는 폴리이미드와 같은 산업용 고분자를 사용한다. 신축성 구조(113)는 전류가 제1 층(101) 내에 포함된 코일(107, 111)을 통전시 일어나는 외부 장의 인가가 있을 때 이동하는 자석(115)을 포함한다. 바람직한 자석은 네오디뮴과 같은 고강도 희토류 자석이다. 자석은 편평하게 마련되는 전도성 플레이트(117)를 포함한다. 소자의 작동시, 전도성 플레이트(117)는 평행 플레이트 커패시터의 두 부분 중 하나로서 동작한다. 소정의 실시예에서, 전도성 플레이트는 해당 플레이트가 전송선과 전기적 접촉이 이루어지지 않도록 하는 절연 유전체 필름(119)을 포함한다.
바닥 층(105)은 전도성 재료로 제조된 전송선(121)을 포함하고, RF 신호를 효율적으로 전달하도록 설계되어 있다. 전송선(121)은 신호 전도체와 근접 배치된 접전 전도체 중 하나로 이루어지거나, 두 부분(121, 127)으로 분할된 신호 전도체로 이루어져 개방 회로(123)를 형성할 수 있다.
바닥 층(105)에는 상부 층(101) 내의 강자성 재료와 유사한 강자성 재료(125)가 매립된다. 강자성 재료(125)는 "온" 상태로 작동시 자석(115)을 래치시키는 역할을 한다.
전도성 전송선(121)은 인쇄 회로 기판과 마이크로 전자 패키지에 공통적인 표준 공정으로 제조된 하나 이상의 전도성 비아(via)(131)에 의해 바닥 층(105)으로 통과된다. 바닥 층(105)의 바닥에 제공되는 전도성 금속 패드는 소자가 외부 회로에 접속되도록 한다.
그 전체로써, 상기 층들(101, 103, 105)은 소자에 대한 패키징을 제공하는 것은 물론, 기계적 전기적 기능을 제공하는 역할을 한다.
본 발명의 소자는 코일(107, 111)에 전류를 공급하는 것으로 작동되며, 이는 자석(115)에 대한 작용력과 토크를 발생시키는 자기장을 형성한다. 이것은 다시 신축성 부재(113)를 이동시켜 전도성 플레이트(117)를 전송선(121)에 근접 배치하고 "온" 상태를 형성한다. 자석이 제3 층(105)에 근접되면, 제3 층 내의 자기적 재료(125)에 끌려서 "온" 상태로 유지된다. 이것을 여기서는 자기적 래칭으로 부른다.
코일(107, 111) 내의 전류가 반대로 흐르면, 자석과 신축성 부재는 전송선으로부터 멀어지고 제1 층(101) 측으로 반대 방향으로 푸싱됨으로써 "오프" 상태를 형성한다. 신축성 부재와 자석이 충분히 멀리 푸싱되면, 자석(115)은 제1 층(101) 내의 자기적 재료로 끌려서 "오프" 상태로 그대로 위치된다. 이것을 여기서는 자기적 래칭으로 부른다. "오프" 상태로의 래칭 후, 해당 상태를 유지하는데 더 이상 전류가 필요치 않다.
스위치가 "오프" 상태로 작동되면, 절연된 전도성 플레이트(117)는 10 마이크로미터보다 더 멀리 전송선(121)으로부터 멀리 이동됨으로써 전송선 상의 전도성 요소 간의 임의의 외부의 정전용량성 커플링을 최소화한다. 전송선으로부터 전도성 플레이트의 거리가 커지면 소자의 성능이 강화되며, 정전기력에 의한 스위치의 자기(self)-작동의 가능성이 적어진다.
스위치가 "온" 상태로 작동되면, 절연된 전도성 플레이트(117)는 전송선(121)과 접촉되거나 거의 접촉되도록 이동됨으로써 금속-절연체-금속 커패시터가 형성된다. 개방 신호선을 형성하는 두 개의 신호 전도체의 경우(도 1 참조), 플레이트(117)는 제1 및 제2 신호 전도체(121, 127) 간에 정전용량성 커플링을 형성한다. 이것을 여기서는 인-라인 정전용량 스위치로 부른다. 신호 전도체와 접지 전도체의 경우, 이것은 신호 전도체와 접지 전도체 간에 정전용량성 커플링을 형성한다. 이것을 여기서는 분로(shunt) 커패시터 스위치로 부른다.
본 발명의 소자는 후막 금속의 사용을 허용하며, 큰 스트로크와 큰 힘과 래칭 동작을 발생시킨다. 이들 특징은 소자가 작동을 위해 저 전압을 사용하여 적은 에너지를 소비하면서도 고성능을 가지고 높은 신호 전압을 처리하며 높은 신호 전력을 스위칭하도록 하는 것을 허용한다.
도 2는 실리콘 내에 제조된 통상적인 RF MEMS 소자의 특징을 예시적으로 비교한 단면도이다. 도 2의 상부에 도시된 통상의 접근법에서, MEMS 소자는 패키지 기판(153)에 부착되는 실리콘 기판(151) 상에 구성된다. 와이어 본딩에 의해 실리콘과는 전기적 접촉이 이루어진다. 전송선(157)은 실리콘 상에 성장된 절연 필름 위에 형성된다. 통상 1 마이크로미터 두께 미만의 금속 박막(159)을 사용하여 전자 기계적으로 이동 가능한 가동 접촉부가 구성된다. 해당 금속은 통상 10 마이크로미터 미만으로 신호선에 근접 배치되는 브릿지 또는 캔티레버(cantilever)로서 설계되는 것이 통상적이다. 가동 접촉부 아래로는 정전기 인력에 의해 소자를 작동시키는데 사용되는 정전기 패드(161)가 제공된다. 가동 접촉부가 정전기 인력에 의해 하방으로 유도되면, 신호선과 제2 전도체, 즉 제2 신호선 또는 접지선을 나타낼 수 있는 제2 전도체 사이가 연결되도록 정전용량성 커플링이 이루어질 수 있다. 전체 소자는 소자를 환경적 손상으로부터 보호하는 보호 패키지(165) 내에 배치된다.
이러한 통상적 설계는 여러 가지 문제를 안고 있다. 실리콘(151)은 신호의 일부를 흡수하는 손실성 기판이어서 성능 저하 및 발열을 수반한다. 와이어 접합(155)은 소자에 대해 미지의 정전용량과 인덕턴스를 유도함으로써 임피던스 매칭을 곤란하게 한다. 박막 필름(159)은 신호선에 매우 근접 배치되어 있어서 정전용량 누설이 이루어지고 신호 전압이 높을 때 자기(self) 충전으로부터 자기 작동이 이루어질 수 있다. 또한, 박막 필름은 깨지기 쉬워서 고 전류의 스위칭시 생길 수 있는 고온을 처리할 수 없다. 정전기 인력(161)은 대부분의 현대의 전자 회로에 바람직하지 않은 통상 20V-40V의 고 전압을 필요로 한다. 통상적인 소자는 제조시 상당한 비용을 소요하는 보호 패키지(165) 내에 여전히 배치되어야 한다. MEMS 패키징은 패키징될 성분이 패키징 이전에 파손될 가능성이 크기 때문에 시행이 어렵고 느리다.
도 3은 본 시스템의 일 실시예에 따른 소자의 예시적인 기능과 등가 회로를 나타낸다. 일 실시예에서, 신호선(201)은 정전용량 플레이트(203)에 커플링되고, 해당 정전용량 플레이트는 다시 제2 신호선(205)에 커플링됨으로써 두 개의 인-라인 커패시터(인-라인 구성)을 형성한다. 제2 실시예에서, 신호선(215)은 정전용량 플레이트(213)에 커플링되고 해당 플레이트는 다시 접지선(211)에 커플링됨으로써 그라운드에 두 개의 캐피시터를 형성한다(분로 구성).
도 4는 본 시스템의 일 실시예에 따른 소자의 예시적 층들과 그 제조 방법을 나타낸다. 상부 층의 제1 부분은 라미네이트 재료(251)와 강자성 재료(253)를 포함한다. 상부 층의 제2 부분은 전도성 코일(257)을 갖는 라미네이트(255)와 구조적 라미네이트(259)를 포함한다.
신축성 층(261)은 자석과 플레이트를 신뢰성있게 유지하고 이동시키도록 설계된다. 바람직한 실시예에서, 신축성 재료는 폴리이미드로 형성되고 해당 재료를 레이저 절단 도구를 사용하여 기하학적 형태로 절단하는 것에 의해 플렉처(261)로 제조된다. 플렉처(261)는 중심에 개구를 구비하도록 통로가 형성되어 이동을 허용하는 라미네이트 재료(263)에 의해 적소에 유지된다.
신호선(265)은 바닥 라미네이트 층 상에 형성되고, 해당 바닥 라미네이트 층은 라미네이트의 다른 측면 상에서 패드에 연결되는 전기적 연결부를 포함한다. 커패시터를 가로지른 전기적 커플링을 향상시키기 위해 특별한 접촉 패드(267)가 형성될 수 있다. 바닥 층은 의도한 응용례에서 본 발명의 소자의 RF 성능을 최적화하도록 설계된 성능 라미네이트(269)로부터 형성된다.
도 5는 본 시스템의 일 실시예에 따라 라미네이트를 기초로 한 제조 방식으로 제공된 예시적인 패널 레벨의 제조 방법을 나타낸다. 해당 예시는 두 개의 층, 즉 신호선(301)을 포함하는 바닥 층과 자석 및 전도성 플레이트(303)를 포함하는 중간 층을 보여준다. 패널 제조는 본 발명의 소자의 부품의 평행 제조 및 qoc 제조를 허용하고, 별도의 설비에 의해 층들이 따라 제조되도록 하는 것을 허용한다. 패널은 함께 접합되어 다중 소자로 이루어진 단일 패널을 형성한다. 소자들은 전기 회로에 사용되도록 패널로부터 낱개로 분할된다. 대안적인 구성(도시 생략)으로는 패널 상에 다른 회로를 구성하고 RF MEMS 정전용량 스위치를 해당 회로 내에 매립되도록 하는 것을 포함한다.
도 5는 인쇄 회로 기판과 라미네이트를 사용하여 RF MEMS 스위치 소자를 구성하는 것을 나타낸다. 라미네이트들은 이상적으로는 고 전력 RF 스위치의 요구에 적합한데, 이는 이들 라미네이트가 견고하고 높은 전도성의 소자의 형성을 허용하고 전자기 작동을 위한 자기적 성분 등의 대안적인 구성을 비교적 용이하게 합체할 수 있도록 허용하기 때문이다.
라미네이트를 활용하는 방법은 각각 소자의 개별 층을 나타내는 개별 라미네이트 패널 상에 독립적으로 각 층을 제조하는 것을 허용한다. 단일의 라미네이트 패널은 소자에 사용되는 수백 또는 수천 개의 성분을 포함할 수 있다. 각 층의 핵심적인 특징부들은 리소그래피, 에칭, 밀링, 기계 가공, 루우팅(routing), 엠보싱, 전기 도금, 전기 주조, 조립 및 인쇄 회로 기판과 전자 패키징 산업에 공통적인 기타의 방법을 포함하는 다양한 수단에 의해 제조된다.
도 6은 본 시스템의 일 실시예에 따른 제2의 미세 제조 소자의 예시적인 용도를 나타낸다. 일 실시예에 따르면, 플렉처(351)는 자석(353)을 포함하고 해당 자석은 해당 자석에 부착되거나 그 위에 성장된 금속 층(355)을 가진다. 금속 층(355)은 따로 제조된 후 자석에 부착되거나, 예컨대 전기 도금 또는 전기 주조에 의해 자석 위에 직접 성장될 수 있다. 금속 층(355)은 해당 금속 층(355)과 신호선(359) 간에 직접적인 접촉이 이루어지지 않도록 해당 금속 층 위에 성장되는 절연 박막 유전체 층(357)을 포함한다. 금속 층(355)은 상부 정전용량 플레이트를 형성한다. 신호선은 해당 신호선과 상부 정전용량 플레이트 간의 전기적 커플링을 강화하기 위해 해당 표면(361) 상에 형성되는 특별한 패드를 가질 수 있다. 이들 패드는 약간 돌출되어 있고 연마된 후 제2 금속으로 코팅됨으로써 강성 및 산화 저항성을 향상시킬 수 있다. 바람직한 실시예에서, 이들 패드는 연마된 금이다. 신호선은 의도한 응용례에서 소자의 성능을 최적화하도록 구성된 성능 라미네이트(363)의 상부에 배치된다.
다른 실시예에서, 신호선(365)은 절연 유전체 박막(367)으로 코팅됨으로써 상부 정전용량 플레이트를 유전체로 코팅할 필요성을 제거한다.
다른 실시예에서, 특별히 준비된 플레이트(371)가 따로 제작된 후 가동 구조 또는 자석(369)에 부착된다.
바람직한 실시에에서, 플레이트(371)는 복수의 그로브(groves)와 미세 구조로 마련된다. 이들은 접촉 면적의 주문을 허용하여, 구조체의 나머지 부분을 재설계하지 않고도 소자의 정전용량을 주문화할 수 있다. 또한, 미세 포스트와 구조체의 사용은 신호선과 밀착 접촉되는 플레이트(371)의 능력을 향상시킬 수 있는데, 이는 전체의 단일 플레이트의 경우보다 작은 결함 또는 먼지의 경우가 덜 문제가 되기 때문이다. 바람직한 실시예에서, 플레이트(371)는 신축성 접착제에 의해 부착되는데, 해당 신축성 접착제는 플레이트가 약간 이동되고 흔들리는 것을 허용함으로써 하향 작동시 패드와 양호한 접촉을 이루게 된다. 신축성 접착제는 작동 충격의 일부를 흡수하는 역할도 한다.
여기 설명된 정전용량 스위치는 예컨대, 임피던스 매칭 회로, 동조 회로, 위상 변위기, 루우팅 회로, 전력 제어 회로, 위상 변환기 회로, 공명기, 라인 스위치, 감쇠기, 아이솔레이터(isolator), 가변형 안테나와 같은 무선 응용례에 사용되도록 의도된 것이다.
본 발명은 여러 가지 변형례와 대안적인 형태가 가능하며, 그것의 특정 예들이 도면에 도시되었으며 여기에 상세히 설명되고 있다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태 또는 방법에 한정되지 않으며, 오히려 반대로 본 발명은 첨부된 특허청구범위 내에 속하는 모든 변형, 등가물 및 대체물를 포괄함을 이해하여야 한다.
전술한 설명에서, 설명만의 목적으로 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정의 명명법이 언급되어 있다. 그러나, 본 발명의 내용의 지침을 실시하는데 이들 특정 상세가 필요치 않음은 당업자에게 분명할 것이다.
본 발명의 내용의 지침에 대해 추가의 유용한 실시예를 제공하기 위해 대표적인 예와 종속 청구항의 다양한 특징들을 구체적으로 분명하게 예시되지 않은 여러 가지 방법으로 조합할 수 있다. 엔티티 그룹의 모든 수치 범위 또는 표시는 청구된 주제를 제한할 목적은 물론, 최초의 개시를 목적으로 모든 가능한 중간 값과 중간 엔티티를 개시하고 있음을 분명히 알아야 한다.
자기적으로 작동되는 라미네이트 내의 래칭 마이크로 전자 기계 커패시터 스위치가 개시된다. 전술한 실시예들은 설명의 목적으로 제공된 것으로 발명의 주제를 한정하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 범위 및 취지로부터 벗어나지 않고 다양한 변형, 사용, 대체, 조합, 개선, 제조 방법이 가능함은 당업자에게 분명할 것이다.

Claims (6)

  1. 니켈과 철 중 하나로 제조된 자기적 요소 및 코일을 포함하는, 제1 층;
    영구 자석이 부착되는 신축성 부재를 포함하는, 제2 층;
    절연 유전체 코팅을 가지고, 상기 신축성 부재 또는 자석 중 하나에 부착되는, 전도성 플레이트; 및
    근접 배치된 하나 이상의 접지 전도체들과 신호 전도체 중 하나 이상을 포함하는 전송선 및 자기적 재료를 포함하는 제3 층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  2. 정전용량 스위치를 작동시키는 방법에 있어서,
    정전용량 스위치의 코일에 전류를 급전하는 단계;
    상기 정전용량 스위치의 자석에 대한 작용력과 토크를 발생시키는 자기장을 형성하는 단계;
    상기 정전용량 스위치의 신축성 부재를 강제 이동시켜 정전용량 플레이트를 전송선에 근접시켜서 온 상태를 형성하는 단계; 및
    상기 자석이 상기 정전용량 스위치의 제3 층 내의 자기적 재료로 끌려서 상기 온 상태가 유지되도록 자기적 래칭(magnetic latching)을 유지(forcing)하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 정전용량 스위치 작동 방법.
  3. 제3항에 있어서,
    상기 코일 내에서 상기 전류를 반대로 급전하는 단계;
    상기 코일 내 전류가 반대로 급전시, 상기 자석과 상기 신축성 부재를 반대 방향으로 상기 전송선으로부터 멀리 그리고 제1 층 측으로 푸싱하여 오프 상태를 형성하는 단계;
    상기 자석이 상기 제1 층 내의 자기적 재료로 끌리도록 상기 오프 상태를 유지하는 단계; 및
    전류 급전을 중단하는 단계
    를 더 포함하는, 정전용량 스위치 작동 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전송선 상의 전도성 요소들 간의 임의의 외부 정전용량 커플링을 최소화하도록, 절연된 전도성 플레이트를 10 마이크로미터보다 더 멀리 상기 전송선으로부터 멀어지게 이동시키는, 정전용량 스위치 작동 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    신호 전도체와 접지 전도체 간의 커플링을 허용하여 상기 신호 전도체와 접지 전도체 사이에 정전용량 커플링을 형성하기 위해, 상기 전송선에 접촉되거나 거의 접촉되도록 절연된 전도성 플레이트가 이동되는, 정전용량 스위치 작동 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    전도성 플레이트의 구성은, 상기 자석 또는 신축성 부재 상의 금속성 코팅과, 상기 자석 또는 신축성 부재에 부착된 별도의 금속 부품 성분과, 상기 자석 또는 신축성 코팅에 부착된 금속성 코팅을 갖는 마이크로 가공된 부품 성분으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 정전용량 스위치 작동 방법.
KR1020137013755A 2010-10-29 2011-10-29 자기적으로 작동되는 라미네이트 내 마이크로 전자 기계 커패시터 스위치 KR20130109166A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US40844010P 2010-10-29 2010-10-29
US40841010P 2010-10-29 2010-10-29
US61/408,410 2010-10-29
US61/408,440 2010-10-29
PCT/US2011/058492 WO2012058659A2 (en) 2010-10-29 2011-10-29 Magnetically actuated micro-electro-mechanical capacitor switches in laminate

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20130109166A true KR20130109166A (ko) 2013-10-07

Family

ID=45994845

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137013755A KR20130109166A (ko) 2010-10-29 2011-10-29 자기적으로 작동되는 라미네이트 내 마이크로 전자 기계 커패시터 스위치

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8810341B2 (ko)
EP (1) EP2633541A4 (ko)
KR (1) KR20130109166A (ko)
WO (1) WO2012058659A2 (ko)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9641174B2 (en) * 2011-04-11 2017-05-02 The Regents Of The University Of California Use of micro-structured plate for controlling capacitance of mechanical capacitor switches
JP5637308B2 (ja) * 2011-06-02 2014-12-10 富士通株式会社 電子デバイスとその製造方法、及び電子デバイスの駆動方法
CN103907166B (zh) * 2011-09-02 2017-07-11 卡文迪什动力有限公司 具有增强的rf性能的mems可变电容器
WO2013184223A1 (en) * 2012-06-05 2013-12-12 The Regents Of The University Of California Micro electromagnetically actuated latched switches
WO2014151624A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-25 Soligie, Inc. Printed membrance switch activated with magnetic force and applications thereof
CN105074863B (zh) * 2013-04-01 2017-03-08 株式会社电装 静电电容式开关
US20150002984A1 (en) * 2013-06-28 2015-01-01 Weng Hong Teh Method of forming a magnetic mems tunable capacitor
TWI508914B (zh) * 2013-10-11 2015-11-21 Pixart Imaging Inc 具有增強結構強度之微機電元件
GB201414811D0 (en) * 2014-08-20 2014-10-01 Ibm Electromechanical switching device with electrodes comprising 2D layered materials having distinct functional areas
US10145906B2 (en) * 2015-12-17 2018-12-04 Analog Devices Global Devices, systems and methods including magnetic structures
US10190702B2 (en) * 2016-03-15 2019-01-29 Dunan Microstaq, Inc. MEMS based solenoid valve
US20170355591A1 (en) * 2016-06-08 2017-12-14 Infineon Technologies Ag Microelectromechanical device and a method of manufacturing a microelectromechanical device
US20190066937A1 (en) * 2017-08-26 2019-02-28 Innovative Micro Technology Mems dual substrate switch with magnetic actuation
US11594389B2 (en) * 2018-08-17 2023-02-28 Innovative Micro Technology MEMS dual substrate switch with magnetic actuation
US12047908B2 (en) 2018-11-01 2024-07-23 Sony Group Corporation Methods for enhancing paging operations, related wireless devices and related network nodes
CN112038091B (zh) * 2020-08-04 2022-08-19 厚元技术（香港）有限公司 一种基于mems结构的可调电容
CN111986956A (zh) * 2020-08-12 2020-11-24 华东交通大学 一种石墨烯纳接触控制开关
US11802040B2 (en) * 2021-01-18 2023-10-31 AAC Technologies Pte. Ltd. System for protecting mems product under ESD event

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5475353A (en) * 1994-09-30 1995-12-12 General Electric Company Micromachined electromagnetic switch with fixed on and off positions using three magnets
US6094116A (en) * 1996-08-01 2000-07-25 California Institute Of Technology Micro-electromechanical relays
FR2761518B1 (fr) * 1997-04-01 1999-05-28 Suisse Electronique Microtech Moteur planaire magnetique et micro-actionneur magnetique comportant un tel moteur
US6639493B2 (en) * 2001-03-30 2003-10-28 Arizona State University Micro machined RF switches and methods of operating the same
WO2002095896A2 (en) * 2001-05-18 2002-11-28 Microlab, Inc. Apparatus utilizing latching micromagnetic switches
US6778046B2 (en) * 2001-09-17 2004-08-17 Magfusion Inc. Latching micro magnetic relay packages and methods of packaging
JP4066928B2 (ja) * 2002-12-12 2008-03-26 株式会社村田製作所 Ｒｆｍｅｍｓスイッチ
US7342473B2 (en) * 2004-04-07 2008-03-11 Schneider Electric Industries Sas Method and apparatus for reducing cantilever stress in magnetically actuated relays
US8877074B2 (en) 2006-12-15 2014-11-04 The Regents Of The University Of California Methods of manufacturing microdevices in laminates, lead frames, packages, and printed circuit boards
US20080170727A1 (en) 2006-12-15 2008-07-17 Mark Bachman Acoustic substrate

Also Published As

Publication number Publication date
EP2633541A2 (en) 2013-09-04
US8810341B2 (en) 2014-08-19
WO2012058659A3 (en) 2012-06-21
US20120103768A1 (en) 2012-05-03
WO2012058659A2 (en) 2012-05-03
EP2633541A4 (en) 2015-04-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20130109166A (ko) 자기적으로 작동되는 라미네이트 내 마이크로 전자 기계 커패시터 스위치
US7215229B2 (en) Laminated relays with multiple flexible contacts
US7489228B2 (en) Low power consumption bistable microswitch
US20030011450A1 (en) Mircomagnetic latching switch packaging
US7342473B2 (en) Method and apparatus for reducing cantilever stress in magnetically actuated relays
US10580604B2 (en) Micro electromagnetically actuated latched switches
US8525623B2 (en) Integrated electromechanical relays
US7830066B2 (en) Micromechanical device with piezoelectric and electrostatic actuation and method therefor
US7250838B2 (en) Packaging of a micro-magnetic switch with a patterned permanent magnet
Bachman et al. High-power magnetically actuated microswitches fabricated in laminates
Lampen et al. A wafer‐capped, high‐lifetime ohmic MEMS RF switch
US7202763B2 (en) Micro-electromechanical switching device
US7266867B2 (en) Method for laminating electro-mechanical structures
Kang et al. A low-loss, single-pole, four-throw RF MEMS switch driven by a double stop comb drive
JP2005251549A (ja) マイクロスイッチ及びマイクロスイッチの駆動方法
US20060091983A1 (en) Electrostatic microswitch for low-voltage-actuation component
US8884726B2 (en) Contact structure for electromechanical switch
US6836194B2 (en) Components implemented using latching micro-magnetic switches
JP2011070950A (ja) Ｍｅｍｓ型ｒｆスイッチ
US9196429B2 (en) Contact structure for electromechanical switch
Kim High Power Direct-Contact RF Laminate Microswitch
KR20060017713A (ko) 전자기력 구동의 ｍｅｍｓ 스위치 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application