KR970004214B1 - Micro relay structure using electrostatic charge - Google Patents

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재단법인 한국전자통신연구소
양승택
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    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00Electrostatic relays; Electro-adhesion relays

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Abstract

The micro relay for operating with low voltage less than 10 V has rapid response speed less than 100 micro second. The relay has a cantilever shape thin metal electrode on SiO2 insulator. The gap between electrodes is less than 2 micro meter to be driven with low voltage. It also uses liquified mercury as upper cover plate to maintain low contact resistance and prolong operation time.

Description

캔티레버(Cantilever)형 정전력 구동마이크로 릴레이 구조 및 제작방법Cantilever type constant power driving micro relay structure and manufacturing method

제1도는 본 발명의 릴레이 시스템의 전체적인 구조.1 is the overall structure of the relay system of the present invention.

제2도는 본 발명의 릴레이의 작동 원리도로서2 is a working principle diagram of the relay of the present invention.

(가)는 접점상태,(A) is the contact state,

(나)는 접점해제상태.(B) is disconnected state.

제3도는 본 발명의 릴레이의 전극 배치도.3 is an electrode layout of the relay of the present invention.

제4도는 기판접착 전후의 잔류응력에 의한 캔티레버(Cantilever)의 형태로서4 is a form of cantilever due to residual stress before and after bonding the substrate.

(가)는 캔티레버가 횐상태이고(A) is a cantilever

(나)는 캔티레버가 구동전극방향으로 변형된 상태.(B) The cantilever is deformed in the direction of the driving electrode.

제5도는 공정순서도.5 is a process flowchart.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

101,102,110,501,509,514 : 기판101,102,110,501,509,514: Substrate

103,201,304,401,404,506 : 캔티레버 이동전극(Cantilever)103,201,304,401,404,506: cantilever moving electrode

301,404,504,507 : 캔티레버산화층301,404,504,507: cantilever oxide layer

104,203,306,403,502 : 바닥구동전극104,203,306,403,502: Floor driving electrode

103,304 : 상부구동전극106 : 수은 reservoir103,304: upper driving electrode 106: mercury reservoir

107 : 마이크로 채널(micro-channel)109,308 : 수은접촉구멍107: micro-channel 109,308: mercury contact hole

105,202,305,307,402,512 : 릴레이 접점점극105,202,305,307,402,512: Relay contact pole

503 : 에피택시층515 : 수은503: epitaxy layer 515: mercury

508,511 : 식각영역505,510 : 금속박막508,511: etching area 505,510: metal thin film

513 : 접착계면513: adhesive interface

본 발명은 10V 이하의 저전압에서 작동이 가능하고, 응답속도가 100usec 이하인 고속 캔티레버(Cantilever)형 정전력 구동 마이크로 릴레이 구조 및 제작방법에 관한 것이다.The present invention relates to a structure and a manufacturing method of a high speed cantilever type constant power driving micro relay capable of operating at a low voltage of 10V or less and having a response speed of 100usec or less.

최근에 반도체 가공 기술을 활용하여 수㎛에서 수백㎛크기의 기계적 구조체를 제작하는 기술, 즉 마이크로 머시닝 기술의 마이크론 크기의 센서 및 액츄에이터 제작에 응용되고 있다. 현재 통신용 부품으로 상용되는 전자식 릴레이는 크기가 수십㎜이다.Recently, it has been applied to the fabrication of mechanical structures of several micrometers to hundreds of micrometers using semiconductor processing technology, that is, micron-sized sensors and actuators. Electronic relays currently used as communication components are several tens of millimeters in size.

따라서, 마이크로 머시닝 기술을 활용하여 현존의 수십㎜크기의 릴레이를 수백㎛ 이하의 크기로 축소시키면 릴레이의 기능에 큰 향상을 가져올 수 있다.Therefore, by reducing the size of the existing tens of millimeters of relay to a size of several hundred micrometers or less by utilizing micromachining technology can bring a significant improvement in the function of the relay.

아울러, 반도체 마이크로 머시닝 기술을 활용할때 양산성의 우수하여 제작가격이 현지히 감소된다.In addition, when the semiconductor micromachining technology is used, the production cost is locally reduced due to excellent mass productivity.

현재 연구되고 있는 마이크로 릴레이의 작동전압은 60-100V 이상의 고전압이 요구되고 접점저항이 커서 실용화에는 문제점이 있다.The working voltage of the micro relay currently being studied requires a high voltage of 60-100V or more and a large contact resistance, which causes problems in practical use.

마이크로 릴레이가 실용화되지 위해서는 10V 이하의 저전압으로 작동되어야 하며, 50㏁정도의 저저항 접점특성이 요구된다.In order for the micro relay to be put into practical use, it must be operated with a low voltage of 10V or less, and a low resistance contact characteristic of 50 kV is required.

이와 같은 요구에 부응하기 위하여 안출된 본 발명에서는 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 저전압(10V 이하), 고속응답성(100usec 이하)특성을 갖는 캔티레버(Cantilever)형정전력 구동 마이크로 릴레이 구조 및 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to meet the demand, the present invention provides a structure and a manufacturing method of a cantilever type constant power driving micro relay having low voltage (less than 10V) and fast response (less than 100usec) using micromachining technology. The purpose is.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 마이크로 릴레이 구조는 Sio2절연체상에 전극금속박막이 형성된 캔티레버(Cantilever) 형태이고 10V 이하의 저전압으로 구동하기 위하여 전극간 거리를 2㎛정도로 하고, 실장시 사용되는 상부 덮개판으로 캔티레버(Cantilever)를 하부 방향으로 변형하여 구동발생력을 극대화할 수 있다는 장점을 갖는 구조이다.In order to achieve the above object, in the present invention, the micro relay structure has a cantilever shape in which an electrode metal thin film is formed on a Sio2 insulator, and has a distance between electrodes of about 2 μm for driving at a low voltage of 10 V or less, The upper cover plate has the advantage of maximizing the driving force by deforming the cantilever in the downward direction.

또한, (Cantilever) 제작시 발생되는 (Cantilever) 휨 문제를 해결하는 구조로서 "Normally-ON" relay에 적합하다. 또한 본 구조는 릴레이의 접점의 저저항 유지 및 작동수평 증가를 위해서 상부 덮개판에 액체금속인 수은을 사용한다는 것이 특징이다.Also, it is a structure that solves the problem of (Cantilever) bending caused when manufacturing (Cantilever), and is suitable for "Normally-ON" relay. In addition, this structure is characterized by the use of mercury, which is a liquid metal, on the upper cover plate to maintain the low resistance of the relay contacts and increase the operating level.

이하 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 릴레이 시스템의 전체적인 구조는 제1도와 같다. 제1도에서 처럼 릴레이 시스템은 캔티레버(Cantilever)형 이동전극(103)이 구현되어 있는 규소기판(101), 상부구동전극(105)와 수은 레져보어(reservoir)(106)가 구현되어 있는 규소기판(102), 그리고 수은 레져보어(reservoir)를 밀봉하기 위한 기판(110)으로 구성된다.Hereinafter will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The overall structure of the relay system is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the relay system includes a silicon substrate 101 on which a cantilever type moving electrode 103 is implemented, a silicon substrate on which an upper driving electrode 105, and a mercury reservoir 106 are implemented. 102, and a substrate 110 for sealing the mercury reservoir.

상기와 같은 구조의 마이크론 크기 릴레이를 제작하였을 경우, 이동전극(103)과 고정전극(105)간의 접촉력은 0.1uN정도이다.When the micron size relay having the above structure is manufactured, the contact force between the moving electrode 103 and the fixed electrode 105 is about 0.1 uN.

이러한 크기의 접촉력으로는 접촉저항이 50㏁ 이상이 되며, 접점상태가 불안정하게 된다.With this magnitude of contact force, the contact resistance is 50 kPa or more, and the contact state becomes unstable.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서 접점이 형성되는 부분에 수은을 위치시켜 저항이 저하되도록 하였다.Therefore, in order to solve this problem, the resistance is lowered by placing mercury in the portion where the contact is formed.

수은 레져보어(reservoir)(106)는 규소기판에 벌크 마이크로 머시닝(bulk micromachining) 기술을 이용하여 제작한다. 평상시 캔티레버(Cantilever)의 변경에 의한 탄성력에 의해서 수은 마이크로 채널(microchannel)의 구멍(109)이 캔티레버(Cantilever)(103)에 의해서 막히게된다.Mercury reservoir 106 is fabricated on a silicon substrate using bulk micromachining techniques. Normally, the hole 109 of the mercury microchannel is blocked by the cantilever 103 by the elastic force caused by the change of the cantilever.

레져보어(Reservoir)(106)에 있는 수은은 표면장력에 의해서 마이크로 채널(microchannel)(107)을 통해서 고정전극(105)과 이동전극(103) 사이에서 수은박막을 형성하게 된다.Mercury in the reservoir 106 forms a thin film of mercury between the fixed electrode 105 and the moving electrode 103 through the microchannel 107 by surface tension.

이동전극인 캔티레버(Cantilever)(103)가 바닥구동전극(104) 방향으로 움직여도 수은 마이크로 채널(microchannel)(105)에서의 표면장력 때문에 수은은 마이크로 채널(microchannel)(107) 부위에만 한정되어 있다. 이러한 기본 구조 및 특징을 갖는 릴레이는 구동전극(203),(201)에 전압이 인가되지 않은 상태에서 릴레이 접점이 형성되어 있는 'Noramly-ON'형의 스위치이다.Even when the moving electrode Cantilever 103 moves toward the bottom driving electrode 104, mercury is limited to only the microchannel 107 due to the surface tension in the mercury microchannel 105. The relay having such a basic structure and characteristics is a 'Noramly-ON' type switch in which a relay contact is formed in a state where a voltage is not applied to the driving electrodes 203 and 201.

접점은 덮개기판(102)의 돌출형 상부고정전극(202)과 캔티레버의 릴레이 접점전극(201)에 의하여 형성된다. 제2도의 (가)와 같이, 바닥구동전극(203)에 전압이 인가되지 않은 상태에서는 덮개기판의 돌출형 상부고정전극(202)이 캔티레버의 이동전극(201)을 하부방향으로 누르고 있는 형태로 접점이 형성된다.The contact is formed by the protruding upper fixed electrode 202 of the cover substrate 102 and the relay contact electrode 201 of the cantilever. As shown in FIG. 2A, in a state where no voltage is applied to the bottom driving electrode 203, the protruding upper fixed electrode 202 of the cover substrate presses the moving electrode 201 of the cantilever downward. The contact is formed.

제2도의 (나)와 같이, 바닥구동전극(203)에 전압을 인가하면 캔티레버 이동전극(201)이 정전력에 의하여 바닥구동전극(203)쪽으로 끌려가므로 전극(202)와 전극(201)에 형성된 접점이 해제된다.As shown in (b) of FIG. 2, when the voltage is applied to the bottom driving electrode 203, the cantilever moving electrode 201 is attracted to the bottom driving electrode 203 by the electrostatic force, thereby the electrode 202 and the electrode 201. The contact formed in the is released.

다시 구동전극(203)에 인가된 전압을 해제하면, 캔티레버 이동전극(201)이 원 상태로 복귀하여 접점이 형성된다.When the voltage applied to the driving electrode 203 is released again, the cantilever moving electrode 201 returns to its original state to form a contact.

제3도는 전극의 모양을 개괄적으로 보여주고 있다. 제3도의 (가)와 (나)는 캔티레버에 구현된 구동전극(304) 및 릴레이 접점전극(305)을 보여준다.3 schematically shows the shape of the electrode. 3A and 3B show a driving electrode 304 and a relay contact electrode 305 implemented in the cantilever.

구동전극(304)와 바닥구동전극(306)에 인가된 전압에 의하여 캔티레버(301)가 변형하면 릴레이 접점전극(305)이 함께 변형되어 접점이 형성 또는 해제된다.When the cantilever 301 is deformed by the voltage applied to the driving electrode 304 and the bottom driving electrode 306, the relay contact electrode 305 is deformed together to form or release the contact.

제3도의 (다)는 릴레이 접점전극(307) 및 수은접촉구멍(308)을 보여준다.3 (c) shows the relay contact electrode 307 and the mercury contact hole 308.

제4도는 기판접착 전후의 잔류응력에 의한 캔티레버(Cantilever)의 형태로 보여준다.4 shows in the form of a cantilever due to residual stress before and after bonding the substrate.

캔티레버(Cantilever)의 절연산화막에 개재된 잔류응력에 의해서 캔티레버(Cantilever)(401)가 상부 방향으로 휘는 현상이 발생된다.A phenomenon in which the cantilever 401 bends upward due to the residual stress interposed in the insulating oxide film of the cantilever occurs.

이러한 캔티레버(404)도 돌출형 누름전극(402)에 의해서 바닥 구동전극(403) 방향으로 변형되어, 이동전극(404)과 바닥구동전극(403)간의 거리가 최소한으로 유지되므로 저전압에 의한 구동이 가능하게 된다.The cantilever 404 is also deformed in the direction of the bottom driving electrode 403 by the protruding push electrode 402, so that the distance between the moving electrode 404 and the bottom driving electrode 403 is kept to a minimum, so that driving by a low voltage is possible. It becomes possible.

제5도는 상기와 같은 구조를 제작하기 위한 공정을 개괄적으로 보여준다.5 schematically shows a process for producing such a structure.

즉 (가)와 같이 기판(501)에 바닥구동전극(502)를 형성하고 (나)와 같이 차례로 규소박막(503), 산화막(504), 금속박막(505)을 형성한다.That is, as shown in (a), the bottom driving electrode 502 is formed on the substrate 501, and the silicon thin film 503, the oxide film 504, and the metal thin film 505 are sequentially formed as shown in (b).

다음 (다)와 같이 금속박막(505)를 상부 구동전극 및 릴레이 접점전극형태(506)로 만들고 (라)와 같이 산화막(504)를 캔티레버 모양(507)로 만든다.Next, as shown in (c), the metal thin film 505 is formed into the upper driving electrode and the relay contact electrode form 506, and the oxide film 504 is formed into the cantilever shape 507 as shown in (d).

다음 (마)와 같이 규소박막(503)을 식각에 의하여 식각(508)하여, 캔티레버 전극과 바닥구동전극이 구현된 기판을 준비한다.Next, as shown in (e), the silicon thin film 503 is etched by etching to prepare a substrate on which the cantilever electrode and the bottom driving electrode are implemented.

다음 (바)와 같이 수은 레져보어(reservoir)와 릴레이 접점전극이 형성된 기판을 제작하기 위하여 결정방향이<100>기판(509)에 금속박막(510)을 형성시킨다.As shown in (f), a metal thin film 510 is formed on the substrate 509 having a crystal direction in order to fabricate a substrate on which a mercury reservoir and a relay contact electrode are formed.

다음 (사)와 같이 기판(509)의 뒷면을 이방성 식각하여<111>방향의 측면을 갖는 피라미드(511)을 형성하고 (아)와 같이 금속박막을 수은 마이크로 채널(microchannel)이 형성된 릴레이 접점전극(512)으로 만든다.Next, as shown in (g), the backside of the substrate 509 is anisotropically etched to form a pyramid 511 having a side in the <111> direction, and as shown in (h), a relay contact electrode having a mercury microchannel formed of a metal thin film. Make it to 512.

상기 공정 (마)와 (아)에서 제작된 기판을 (자)와 같이 접합하고, 수은을 수은 레져보이(reservoir)(515)에 충진시키고 기판(514)로 수은 레저보더(reservoir)를 밀봉시키면 최종구조가 구현된다.The substrates produced in the above steps (e) and (h) are bonded together, and mercury is filled in a mercury reservoir 515 and the mercury reservoir is sealed with the substrate 514. The final structure is implemented.

이와 같은 본 발명의 릴레이는 구동전극에 전압이 인가되지 않은 상태에서 릴레이 접점이 형성되어 있는 "Noramlly-on형의 스위치로서 접점은 덮개기판의 돌출형 상부 고정전극과 캔티레버 릴레이 접점전극에 의해 형성되며, 또한 바닥구동전극에 전압이 인가되지 않은 상태에서는 덮개기판의 돌출형 상부 고정전극이 캔티레버의 이동전극을 하부방향으로 누르는 형태로 형성된다.Such a relay of the present invention is a "Noramlly-on type switch in which a relay contact is formed in a state in which a voltage is not applied to a driving electrode. The contact is formed by a protruding upper fixed electrode and a cantilever relay contact electrode of a cover substrate. In addition, when no voltage is applied to the bottom driving electrode, the protruding upper fixed electrode of the cover substrate is formed to press the moving electrode of the cantilever downward.

특히 캔티레버의 절연산화막에 개재된 잔류응력에 의해서 캔티레버가 상부 방향으로 휘게되므로 이러한 캔티레버도 돌출형 누름전극에 의해서 바닥구동전극 방향으로 변형되어 이동전극과 바닥구동전극간의 거리가 최소한으로 유지되므로 저전압에 의한 구동이 가능한 캔티레버형 정전력 구동 마이크로 릴레이가 이루어지는 것이다.In particular, since the cantilever is bent upward by the residual stress interposed in the insulating oxide film of the cantilever, the cantilever is also deformed in the direction of the bottom driving electrode by the protruding push electrode, so that the distance between the moving electrode and the bottom driving electrode is kept to a minimum. The cantilever type constant power drive micro relay which can be driven by this is made.

Claims (2)

3개의 기판부로 형성된 릴레이로서 평평한 형태의 캔티레버 이동전극(103)를 돌출부인 고정전극인 릴레이 접점전극(105)으로 하중을 주어 전극간의 거리 축소에 의해 구동전압을 저하하고 접점간의 접촉저항을 적게하기 위하여 상기 접점부에 액체수은(515)을 주입함을 특징으로 하는 캔티레버형 정전력 구동 마이크로 릴레이 구조.As a relay formed of three substrate parts, the cantilever moving electrode 103 having a flat shape is loaded to the relay contact electrode 105, which is a fixed electrode, as a projecting part, thereby reducing the driving voltage and reducing the contact resistance between the contacts by reducing the distance between the electrodes. Cantilever-type constant-power drive micro relay structure, characterized in that for injecting a liquid mercury (515) to the contact portion. 3개의 기판부로 형성된 릴레이로서 평평한 형태의 캔티레버 이동전극(103)를 돌출부인 고정전극인 릴레이 접점전극(105)으로 하중을 주어 전극간의 거리 축소에 의해 구동전압을 저하하고 접점간의 접촉저항을 적게하기 위하여 상기 접점부에 액체수은(515)을 주입하여 저장함을 특징으로 하는 캔티레버형 정전력 구동 마이크로 릴레이 제작방법.As a relay formed of three substrate parts, the cantilever moving electrode 103 having a flat shape is loaded to the relay contact electrode 105, which is a fixed electrode, as a projecting part, thereby reducing the driving voltage and reducing the contact resistance between the contacts by reducing the distance between the electrodes. In order to inject and store the liquid mercury (515) in the contact portion for manufacturing a cantilever type constant power drive micro relay.
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