KR100928914B1 - 도전성 유체를 사용한 릴레이 장치 - Google Patents

Abstract

도전성 유체를 사용한 스위칭 응답성이 우수한 릴레이 장치를 제공한다. 이 릴레이 장치는, 절연 기판에 반도체 기판을 접합함으로써 형성되고 내부 공간을 가지는 적층체, 상기 내부 공간에 노출된 둘 이상의 접점, 상기 내부 공간에 면하는 다이어프램부(diaphragm portion), 상기 내부 공간에 밀봉된 도전성 유체, 및 상기 다이어프램부를 탄성 변형시키는 액추에이터를 주로 포함한다. 상기 반도체 기판에 상기 다이어프램부를 형성함으로써, 상기 다이어프램부를 탄성 변성시키는데 필요한 구동력을 감소시키고 양호한 응답성으로 상기 내부 공간의 용적 변화를 얻을 수 있다. 이 용적 변화가 상기 내부 공간 내에서의 도전성 유체의 위치 변위(positional displacement)를 일으켜서, 상기 접점 사이에 도통 상태 또는 비도통 상태를 형성한다.

릴레이, 도전성 유체, 스위칭, 응답성, 다이어프램, 탄성 변형, 액추에이터

Description

도전성 유체를 사용한 릴레이 장치 {RELAY DEVICE USING CONDUCTIVE FLUID}

본 발명은 도전성 유체를 사용하여 접점 사이를 개폐하는 릴레이 장치에 관한 것이다

최근, 도전성 유체를 사용하여 접점 사이를 개폐하는 릴레이 장치는, 종래의 릴레이 장치에 비해, 높은 신뢰성, 낮은 접촉 저항, 아크 방전의 방지, 장치의 소형화 등의 장점으로 인해 많은 주목을 받고 있다.

예를 들면, 일본 공개특허공보 제9-161640호는, 수은이나 갈륨 등의 도전성 유체를 사용한 열구동(thermal-driven) 마이크로 릴레이 장치를 개시하고 있다. 도 21에 나타낸 바와 같이, 이 마이크로 릴레이 장치는, 한 쌍의 챔버(10M, 40M), 각 챔버 내부에 배치된 히터(12M, 42M), 챔버 사이를 연결하는 채널(20M), 채널(20M)에 주입된 액체 금속(50M), 채널(20M) 내에 노출되고 챔버(10M)에 가까운 측에 배치된 한 쌍의 전극(30M, 32M), 및 채널(20M) 내에 노출되고 챔버(40M)에 가까운 측에 배치되는 한 쌍의 전극(34M, 36M)으로 주로 구성되어 있다. 예를 들면, 챔버(10M) 내에 배치된 히터(12M)가 구동되면, 챔버(10M) 내의 공기가 가열되어 내부 압력이 상승한다. 이 내부 압력의 상승이, 도 21에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 채널(20M) 내의 액체 금속(50M)을 챔버(40M)로 향하는 방향으로 이동시킨다. 그 결과, 액체 금속(50M)에 의해 전극(34M, 36M) 사이에 도통 상태가 형성된다. 반대로, 챔버(40M) 내에 배치된 히터(42M)가 구동되면, 챔버 내의 공기가 가열되어 내부 압력이 상승한다. 이 내부 압력의 상승이, 채널(20M) 내의 액체 금속(50M)을 챔버(10M)로 향하는 방향으로 이동시킨다. 그 결과, 액체 금속(50M)에 의해 전극(30M, 32M) 사이에 도통 상태가 형성된다. 따라서, 가열된 공기에 의한 액체 금속(50M)의 이동에 의해 스위칭 동작이 실현된다. 하지만, 히터를 구동시킨 후 챔버의 내부 압력이 상승할 때까지의 지연 시간 때문에, 스위칭 응답성(switching response)에 개선의 여지가 있다.

또, 일본 공개특허공보 제2004-193133호는, 제조가 용이한 액체 스위칭 장치를 개시하고 있다. 도 22에 나타낸 바와 같이, 이 스위칭 장치는 유리 재료로 이루어진 채널 플레이트(1N)로 주로 형성되고, 주채널(main channel)(10N), 주채널과 통하는 복수의 부채널(sub channel)(20N, 22N), 주채널(10N) 내부에 노출되고 서로 떨어져 있는 복수의 접촉 패드(30N, 32N, 34N), 주채널 내에 주입된 수은과 같은 도전성 유체(50N), 부채널의 다른 단부에 형성된 챔버(40N, 42N), 각 챔버 내에 형성된 열생성 수단과 같은 구동 디바이스(60N, 62N), 및 부채널 내에 충전되는 불활성 가스와 같은 비도전성의 구동 유체(70N)를 포함한다. 예를 들면, 구동 장치(60N)가 동작되면 구동 유체(70N)가 부채널(20N)로부터, 도 22의 화살표로 나타낸 바와 같이, 주채널(10N) 내에 밀려나와, 주채널 내의 구동 유체(70N)에 의해 형성된 접촉 패드(30N, 32N) 사이에 도통 상태가 해제된다. 그 결과, 접촉 패드(30N, 32N) 사이는 비도통 상태가 된다. 한편, 구동 장치(60N)가 휴지 상 태(rest state)에 있으면, 구동 유체(70N)가 주채널(10N)에서 부채널(20N)로 이동하여, 도전성 유체(50N)에 의해 접촉 패드(30N, 32N) 사이에 도통 상태가 복원된다. 이와 같이, 비도전성 유체인 구동 유체(70N) 및 도전성 유체(50N)를 사용하여 스위칭 동작이 실현된다. 하지만, 구동 유체(70N)의 가열을 필요로 하기 때문에, 전술한 바와 마찬가지로, 스위칭 응답성이 문제가 된다. 또, 도전성 유체(50N)가 충전된 주채널(10N) 내로의 구동 유체(70N)의 유입이 항상 동일한 방식으로 반복되는 보장이 없다. 따라서, 릴레이 동작에 편차(variation)가 생길 수 있다.

본 발명의 주요 목적은, 가열 수단을 사용한 종래의 릴레이 장치에 비해 뛰어난 스위칭 응답성, 소형화의 용이성, 및 안정된 릴레이 특성에 이점이 있는, 도전성 유체를 사용한 릴레이 장치를 제공하는 것이다.

즉, 본 발명의 릴레이 장치는,

절연 기판에 반도체 기판을 접합하여 형성되고, 내부 공간을 가지는 적층체(laminate);

상기 내부 공간에 노출된 둘 이상의 접점(contact);

상기 내부 공간에 면하도록 상기 반도체 기판에 형성된 다이어프램부(diaphragm portion);

상기 내부 공간에 밀봉된 도전성 유체; 및

상기 다이어프램부를 탄성 변형시키도록 구성된 액추에이터

를 포함하고,

상기 다이어프램부의 탄성 변형에 의해 생긴 상기 내부 공간의 용적 변화가 상기 내부 공간 내의 도전성 유체의 위치 변위(positional displacement)를 일으켜서, 상기 접점 사이에 도통 상태 또는 비도통 상태가 형성된다.

본 발명에 의하면, 다이어프램부의 탄성 변형에 의한 내부 공간의 용적 변화가 도전성 유체의 위치 변위를 가져오므로, 공기의 열팽창을 이용하여 액체 금속을 이동시키는 경우에 비해, 스위칭 응답성의 향상을 달성할 수 있다. 또, 반도체 기판에 형성된 다이어프램부를 변형시키므로, 유리 등의 강성재(rigid material)를 탄성 변형시키는 경우에 비해, 감소된 액추에이터의 구동력를 사용하여 내부 공간의 용적 변화를 응답성 좋게 얻을 수 있다. 따라서, 비교적 작은 구동력을 생성 가능한 액추에이터를 사용함으로써 스위칭 응답성이 높은 소형 릴레이 장치를 제공하는 것이 가능하다. 본 발명의 기술 사상은, 액추에이터의 휴지 상태(rest state)에서 접점 사이가 비도통 상태로 유지되고 액추에이터의 동작 상태(active state)에서 접점 사이에 도통 상태가 형성되는 상폐형(常閉型, normally close)의 릴레이 장치와 마찬가지로, 액추에이터의 휴지 상태에서 접점 사이가 도통 상태로 유지되고 액추에이터의 동작 상태에서 접점 사이에 비도통 상태가 형성되는 상개형(常開型, normally open)의 릴레이 장치를 제공하는 것이 가능하다.

상기한 릴레이 장치에서, 상기 반도체 기판은 Si 기판이며, 상기 다이어프램부는 상기 Si 기판과 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 반도체 미세가공(micromachining) 기술을 이용함으로써, Si 기판에 다이어프램부를 비교적 용이하게 형성할 수 있고, 릴레이 장치의 소형화에 유효하다.

또, 상기 반도체 기판의 서로 반대방향의 2면 중 한 면은 상기 절연 기판에 접합되어 있고, 다른 면은 요부(凹部, concave portion)를 가지며, 상기 다이어프램부는 요부의 바닥에 형성되어 있고, 상기 액추에이터는 상기 요부 내에 수용되어 있는 것이 바람직하다. 액추에이터를 요부 내에 배치함으로써, 릴레이 장치를 더욱 소형화할 수 있다.

또, 상기 다이어프램부와 상기 액추에이터 중 하나는 돌기(projection)를 가지고, 상기 다이어프램부는 상기 액추에이터에 상기 돌기를 통하여 연결되어 있는 것이 바람직하다. 다이어프램부의 탄성 변형을 가장 효율적으로 발생시킬 수 있는 위치에 액추에이터를 정확하게 접합할 수 있어, 고품질의 릴레이 장치를 안정적으로 공급할 수 있다.

또, 상기 절연 기판은 상기 다이어프램부에 면하는 위치에서 상기 내부 공간에 돌출하는 스토퍼 보스(stopper boss)를 가지는 것이 바람직하다. 또는, 상기 다이어프램부는 상기 내부 공간으로 향해 돌출하는 스토퍼 보스를 가지는 것이 바람직하다. 다이어프램부가 과도하게 탄성 변형하는 것을 방지함으로써, 릴레이 장치의 고장 방지 및 수명 연장에 유효하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 사용된 액추에이터는, 상기 다이어프램부의 표면에 형성된 금속막(metal film), 및 상기 금속막 상에 형성된 압전막(piezoelectric film)을 포함하는 유니모프형(unimorph type) 압전 액추에이터, 상기 다이어프램부의 표면에 형성된 제1 압전막, 상기 제1 압전막 상에 형성된 금속막, 및 상기 금속막 상에 형성된 제2 압전막을 포함하는 바이모프형 압전 액추에이터, 및 상기 다이어프램부의 표면에 복수의 금속막과 복수의 압전막을 교대로 적층하여 형성된 다층형 압전 액추에이터로부터 선택된다.

상기한 릴레이 장치에서, 상기 적층체의 내부 공간은, 상기 다이어프램부에 면하는 유체 저장부, 일단이 상기 유체 저장부에 연결되고 타단이 폐쇄되어 있는 유체 채널(fluid channel)을 포함하고, 상기 둘 이상의 접점은 상기 유체 채널 내에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 다이어프램부의 탄성 변형에 의해 유체 채널 내에서의 도전성 유체의 충분한 이동거리를 얻을 수 있으므로, 유체 채널 내에 서로 이격되어 있는 접점 사이의 스위칭 동작을, 액추에이터의 작은 구동력을 이용하여 효율적으로 얻을 수 있다.

또, 상기 유체 저장부는, 그 개구 면적(aperture area)이 상기 유체 채널로 향하는 방향으로 서서히 감소하는 형상으로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 다이어프램부의 탄성 변형에 의해 도전성 유체를 유체 저장부에서 유체 채널로 순조롭게 이동시킬 수가 있다. 구체적으로는, 상기 유체 저장부에 면하는 상기 다이어프램부는 실질적으로 직사각형 형상으로 구성되어 있고, 상기 직사각형 형상의 코너부(corner portion)에서 상기 유체 채널이 상기 유체 저장부에 연결되어 있으면, 상기한 효과를 달성하는데 적합한 유체 저장부와 유체 채널의 위치 관계를 실현할 수 있다.

또, 상기 유체 채널은, 상기 도전성 유체에 대한 젖음성(wetting property)이 상이한 제1 영역과 제2 영역을 가지고, 상기 제2 영역은 인접하는 접점 사이에 형성되고 상기 제1 영역보다 상기 도전성 유체의 젖음성이 낮은 것이 바람직하다. 액추에이터의 휴지 상태에서 접점 사이가 비도통 상태로 유지되고, 액추에이터의 동작 상태에서 유체 채널 내로의 도전성 유체의 유입을 허용함으로써 접점 사이에 도통 상태가 형성되는 릴레이 장치에서는, 액추에이터의 동작을 정지하면, 대부분의 도전성 유체는 유체 채널로부터 유체 저장부를 향해 이동한다. 하지만, 이때 일부의 도전성 유체가 유체 채널 내에 잔류할 수 있다. 도전성 유체가 유체 채널 내의 접점 사이에 잔류하면, 액추에이터가 휴지 상태이더라도 여전히 접점 사이에 도통 상태가 유지되므로, 원하는 릴레이 동작을 안정적으로 얻을 수 없는 우려가 있다. 이에 대해, 접점 사이에 젖음성이 낮은 제2 영역을 형성하면, 도전성 유체는 제1 영역에 비해 제2 영역에 머물기 어렵게 된다. 따라서, 도전성 유체가 접점 사이에 잔류하는 폐해를 방지할 수 있다. 있다. 이와 같이, 도전성 유체가 안정적으로 존재하기 어려운 부분(location)(제2 영역)을 유체 채널 내의 접점 사이에 형성함으로써, 스위칭 동작의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 제2 영역을 형성하는 경우, 상기 제2 영역의 표면 거칠기를, 제1 영역의 표면 거칠기보다 크게 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 유체 채널로서 홈(groove)을, 반도체 기판 또는 절연 기판에 형성하는 경우, 상기 홈의 표면에 블라스트 처리(blast treatment)나 에칭 처리(etching treatment)를 함으로써 표면 거칠기가 상이한 제1 영역 및 제2 영역을 얻을 수 있다.

또는, 상기 유체 채널은 단면적 또는 단면 형상이 상이한 제1 영역과 제2 영역을 가지고, 상기 제2 영역은, 인접한 접점 사이에 형성되고 상기 도전성 유체의 이동에 대한 저항이 상기 제1 영역보다 큰 것이 바람직하다. 이것은 유체 채널 내의 도전성 유체의 이동을 중단시키기 쉬운 부분(location)을 고의로 접점 사이에 형성한다는 것을 의미한다. 따라서, 도전성 유체가 접점 사이에 잔류하더라도, 도전성 유체가 제2 영역에 의해 분리된다. 이로써 비도통 상태를 신뢰성 있게 얻을 수 있다. 구체적으로는, 상기 제2 영역의 내경은 상기 제1 영역의 내경보다 작도록 설계될 수 있다. 또는, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 원형의 단면 및 삼각형의 단면을 각각 작도록 형성될 수 있다. 따라서, 도전성 유체의 이동에 대한 저항이 큰 제2 영역을, 유체 채널에 얻을 수 있다.

또, 본 발명의 릴레이 장치의 상기 반도체 기판은, 도통 상태에서 상기 도전성 유체가 상기 절연 기판 상에 배치된 상기 접점의 일부에 접촉하도록 형성된 유체 채널과, 상기 접점과 상기 반도체 기판의 접촉을 방지하기 위해 상기 접점의 주변에 형성되고 상기 유체 채널과 통하는 얕은 홈(shallow groove)을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 반도체 미세 가공 기술을 사용하여 반도체 기판에 내경이 작은 유체 채널을 형성하는 것은 가능하다. 한편, 접점은 도전성 유체와의 접촉에 의해 도통 상태를 형성하기 위해 일정한 크기의 외경을 가질 필요가 있다. 이와 같이, 유체 채널의 내경보다 접점의 외경이 큰 경우에, 반도체 기판(예를 들면, Si)을 절연 기판(예를 들면, 유리)과 양극 접합(anodic bonding)하면, 접점이 Si와 유리 사이에 끼워지기 때문에 양극 접합 시에 접합 불량이나 방전이 발생할 우려가 있다. 반도체 기판에 형성된 얕은 홈이 접점과 반도체 기판의 직접 접촉을 방지하기 때문에, 상기한 문제를 회피할 수 있다. 그리고, 얕은 홈은 표면 장력에 의해 도전성 유체가 얕은 홈으로 유입되지 않을 정도의 깊이로 설계된다. 따라서, 도전성 유체가 얕은 홈 내에 누출되어 유체 채널 내를 이동하는 도전성 유체의 양이 감소하고, 스위칭 동작이 불안정하게 될 염려가 없다.

또, 상기 유체 채널은, 서로 평행한 직선 채널(straight channel)과, 인접하는 직선 채널 사이를 연결하는 곡선 채널(curved channel)을 포함하는, 파동 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 유체 채널 내에 복수 쌍의 접점을 형성하는 경우, 유체 채널의 길이를 연장할 필요가 있다. 한편, 유체 채널의 길이의 증가는 릴레이 장치의 대형화를 초래할 우려가 있다. 상기한 바와 같이, 파동 형상의 유체 채널을 형성함으로써, 유체 채널이 형성되는 적층체의 크기를 증가시키지 않고 유체 채널의 길이를 연장할 수 있다. 상기 유체 채널을 채용하는 경우, 상기 접점을 상기 곡선 채널 주변에 배치하는 것이 특히 바람직하다.

본 발명의 릴레이 장치의 상기 적층체는, 상기 도전성 유체를 상기 유체 저장부에 주입하도록 구성된 주입 채널을 가지고, 상기 주입 채널의 내 표면은, 상기 도전성 유체에 대한 젖음성이 높은 금속막을 가지는 것이 바람직하다. 이 경우, 도전성 유체를 유체 저장부에 주입한 후에는, 주입 채널의 내 표면에 형성된, 금속막 상의 도전성 유체에 대한 젖음성이 양호하기 때문에, 금속막을 형성한 부분에 도전성 유체가 유지되기 쉽다. 또, 릴레이 장치의 제조 공정 중에 주입 채널이 밀봉되기 전에 도전성 유체가 유출되는 것을 방지하는 데 유용하다.

그리고, 접점 사이에 도통 상태와 접점 사이에 비도통 상태를 순조롭게 전환하기 위해, 후술하는 바와 같이 유체 채널 내에서 도전성 유체를 이동시키는 것이 바람직하다. 즉, 상기 액추에이터의 휴지 상태에서는, 상기 접점 중 하나만이 상기 도전성 유체와 항상 접촉하고, 상기 액추에이터의 동작 상태에서는, 상기 도전성 유체가 상기 유체 채널 내로 이동하여 상기 접점 사이에 도통 상태를 형성한다. 이 경우에, 유체 채널 내에서의 도전성 유체의 이동거리가 짧아지므로, 다이어프램부의 탄성 변형을 감소시킬 수 있어, 액추에이터의 동작에 필요한 에너지를 절약할 수 있다. 또, 도전성 유체가 두 접점 사이를 통과하는 경우에 비해 도전성 유체의 이동이 원활하기 때문에, 스위칭 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또는, 상기 액추에이터의 휴지 상태에서는, 상기 접점 사이에 도통 상태는 상기 도전성 유체에 의해 유지되고, 상기 액추에이터의 동작 상태에서는, 상기 도전성 유체가 상기 유체 채널로 이동하여 상기 도전성 유체와 상기 접점 중 하나와의 접촉이 해제되어, 상기 접점 사이에 비도통 상태를 형성하는 경우도, 상기의 경우와 마찬가지 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 릴레이 장치에서는, 상기한 바와 같이, 유체 저장부와 유체 채널을 설치하는 것이 바람직하다. 다르게는, 유체 채널을 형성하지 않고, 접점을 유체 저장부 내에 배치할 수도 있다. 예를 들면, 상기 적층체는, 상기 다이어프램부가 면하고 있는 유체 저장부를 포함하고, 상기 둘 이상의 접점이 상기 유체 저장부에 배치되어 있으며, 상기 다이어프램부의 탄성 변형에 의해 상기 유체 저장부 내의 상기 도전성 유체에 위치 변위가 생겨서, 상기 접점 사이에 도통 상태 또는 비도통 상태를 형성한다. 이 경우는, 상기 다이어프램부는 실질적으로 원 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 릴레이 장치의 기본 사상에 따르면, 접점 사이의 복수의 개폐 동작을 동시에 실행하는 릴레이 장치를 제공하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 적층체는, 상기 다이어프램부가 면하고 상기 도전성 유체를 수용하도록 구성된 유체 저장부, 상기 유체 저장부로부터 떨어져 있고 상기 도전성 유체를 수용하도록 형성된 제2 유체 저장부, 및 상기 유체 저장부와 상기 제2 유체 저장부를 연결하는 유체 채널을 포함하는 상기 내부 공간을 가진다. 상기 유체 저장부로부터 소정 범위 내에서 상기 유체 채널 내에 한 쌍의 접점이 배치되고, 상기 제2 유체 저장부로부터 소정 범위 내에서 상기 유체 채널 내에 다른 한 쌍의 접점이 배치된다. 상기 다이어프램부를 탄성 변형시키는 상기 액추에이터의 동작 상태에서, 상기 릴레이 장치는 상기 유체 저장부로부터 공급되는 도전성 유체에 의해 상기 한 쌍의 접점 사이에 도통 상태를 형성하고, 상기 다른 한 쌍의 접점 사이에 비도통 상태를 유지한다. 한편, 상기 액추에이터의 휴지 상태에서는, 상기 릴레이 장치는 상기 제2 유체 저장부로부터 공급되는 상기 도전성 유체에 의해 상기 다른 한 쌍의 접점 사이에 도통 상태를 형성하고, 상기 한 쌍의 접점 사이에 비도통 상태를 유지한다.

본 발명의 더 많은 목적 및 효과는, 이하의 본 발명의 바람직한 실시예로부터 보다 상세하게 이해하게 될 것이다.

도 1 (A)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 릴레이 장치의 상면도이고, (B)는 상기 릴레이 장치의 유체 저장부 및 유체 채널을 나타낸 개략 평면도이며, (C)는 (B)의 X-X선을 따른 단면도이고, (D)는 (B)의 Y-Y선을 따른 단면도이다.

도 2 (A)는 액추에이터의 동작 시의 유체 저장부 및 유체 채널 내에서의 도전성 유체의 위치 변위를 나타낸 개략 평면도이고, (B)는 (A)의 X-X선을 따른 단면도이며, (C)는 (A)의 Y-Y선을 따른 단면도이다.

도 3 (A)는 제1 실시예의 변형예에 따른 릴레이 장치의 상면도이고, (B)는 상기 릴레이 장치의 유체 저장부 및 유체 채널을 나타낸 개략 평면도이며, (C)는 (B)의 X-X선을 따른 단면도이고, (D)는 (B)의 Y-Y선을 따른 단면도이다.

도 4는 액추에이터에 돌기가 있는 릴레이 장치의 단면도이다.

도 5는 다이어프램부에 스토퍼 보스가 있는 릴레이 장치의 단면도이다.

도 6은 절연 기판에 스토퍼 보스가 있는 릴레이 장치의 단면도이다.

도 7은 액추에이터를 수용하는 요부 내에 단차(step)가 있는 릴레이 장치의 단면도이다.

도 8 (A)는 유체 채널 내의 접점 사이에 형성된 젖음성이 낮은 영역을 나타낸 개략도이고, (B)는 유체 채널 내의 접점 사이에 형성된 직경이 작은 영역을 나타낸 개략도이다.

도 9 (A)는 유체 채널 내에 복수 쌍의 접점을 가지는 릴레이 장치의 개략 평면도이고, (B)는 (A)의 Y-Y선을 따른 단면도이다.

도 10은 파형 패턴의 유체 채널을 형성한 릴레이 장치의 개략 평면도이다.

도 11 (A) 및 (B)는 각각 접점 주변에 형성된 얕은 홈을 나타낸 개략도 및 단면도이다.

도 12 (A) 및 (B)는 각각 접점 주변에 형성된 다른 얕은 홈을 나타낸 개략도 및 단면도이다.

도 13 (A)는 도전성 유체의 주입부에 금속막이 형성된 릴레이 장치의 개략 단면도이고, (B)는 도전성 유체의 다른 주입부를 나타낸 단면도이다.

도 14 (A)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 릴레이 장치의 상면도이고, (B)는 상기 릴레이 장치의 유체 저장부를 나타낸 개략 평면도이며, (C)는 (B)의 Z-Z선을 따른 단면도이다.

도 15 (A)는 액추에이터의 동작 시의 유체 저장부 내의 도전성 유체의 위치 변위를 나타낸 개략도이고, (B)는 (A)의 Z-Z선을 따른 단면도이다.

도 16 (A)는 본 발명의 제3 실시예에 따른 릴레이 장치의 유체 저장부 및 유체 채널을 나타낸 개략 평면도이고, (B)는 (A)의 X-X선을 따른 단면도이다.

도 17 (A)는 액추에이터 동작 시의 유체 저장부 내의 도전성 유체의 위치 변위를 나타낸 개략 평면도이고, (B)는 (A)의 X-X선을 따른 단면도이다.

도 18 (A) 및 (B)는 제3 실시예의 변형예에 따른 릴레이 장치의 동작을 나타낸 개략도이다.

도 19 (A) 및 (B)는 릴레이 장치의 동작 시의 도전성 유체의 이동을 나타낸 개략도이다.

도 20 (A) 및 (B)는 다른 릴레이 장치의 동작시에 있어서의 도전성 유체의 이동을 나타낸 개략도이다.

도 21은 도전성 유체를 사용하는 종래의 릴레이 장치의 동작을 나타낸 개략도이다.

도 22는 도전성 유체를 사용하는 종래의 다른 릴레이 장치의 동작을 나타낸 개략도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 릴레이 장치를 바람직한 실시예에 따라 상세하게 설명한다.

(제1 실시예)

도 1 (A) ~ (D)에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 릴레이 장치는, 도전성 유체(5)가 주입되는 유체 저장부(30)와 유체 채널(32)로 이루어지는 내부 공간(유체 챔버)을 가지도록, 절연 기판(1)과 반도체 기판(2)을 양극 접합하여 형성된 적층체, 유체 채널 내에 노출된 한 쌍의 접점(40, 42), 유체 저장부(30)에 면하여 반도체 기판(2)에 설치되는 다이어프램부(20), 및 다이어프램부(20)를 탄성 변형시키는 액추에이터(6)로 주로 구성되어 있다.

적층체용의 절연 기판(1)은 특히 한정되지 않으며, 절연성을 가지는 기판이면 이용 가능하다. 예를 들면, 유리 재료나 절연성 수지 재료로 절연 기판(1)을 만들 수 있다. 본 실시예에서는, 절연 기판(1)으로 유리 기판을 사용한다. 절연 기판(1)은, 실질적으로 원뿔 형상(conical shape)이고 그 정점부(tip)가 유리 기판의 상면에 닿도록 구성된 복수의 스루홀(through hole)(10)을 가진다. 각각의 스루홀(10)의 내 표면에는 도전성 재료(예를 들면, 땜납)의 도금층이 형성되어 있다. 스루홀(10)의 원뿔 형상의 정점부는 도금층에 의해 폐쇄되어 접점(40, 42)을 형성한다. 도면에서 도면부호 45는 절연 기판(1)의 하면(bottom surface)에 형성된 단 자를 가리키고, 도면부호 43은 각 접점(40, 42)과 대응하는 단자(45) 사이를 전기적으로 연결하는 배선 패턴을 가리킨다. 이에 대해, 접점(40, 42)을 형성하는 부분은, 각각의 접점이 내부 공간에 면하고 도전성 유체(5)로 접근 가능하면, 절연 기판(1)으로 한정되지 않는다.

적층체용의 반도체 기판(2)으로는, 예를 들면, 단결정의 Si 기판을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는, 반도체 기판의 하면에 기계 가공이나 에칭 등의 반도체 미세 가공을 한 다음, 절연 기판(1)의 상면을 반도체 기판(2)의 하면에 접합하여 내부 공간으로서 유체 저장부(30)와 유체 채널(32)을 가지는 적층체를 얻는다. 반도체 기판(2) 대신에, 절연 기판(1)의 상면을 기계 가공할 수도 있다. 다르게는, 절연 기판(1)을 반도체 기판(2)에 접합하여 적층체를 얻기 전에, 절연 기판과 반도체 기판 모두를 가공할 수도 있다.

한편, 반도체 기판(2)의 상면에는 액추에이터(6)를 수용하는 요부(21)가 형성되어 있다. 이 경우에, 이 요부(21)의 바닥부는 다이어프램부(20)로서 기능한다. 유체 채널(32)은 유체 저장부(30)보다 내경이 더 작고, 그 일단은 유체 저장부(32)에 연결되고 타단은 폐쇄되도록 실질적으로 J자형으로 형성된다. 유체 채널(32)의 형상은 특정한 것으로 한정되지 않는다. 후술하는 바와 같이, 유체 채널932)은 유체 채널(32) 내에 배치하는 접점 쌍의 수에 따라 다양하게 설계 변경 가능하다. 설명을 간단하게 하기 위해, 유체 채널(32) 내에는 소정 거리만큼 서로 떨어져 있는 한 쌍의 접점(40, 42)이 배치되어 있다. 또, 유체 채널(32) 내의 도전성 유체(5)가 존재하지 않는 공간에는 공기 외에 질소, 불활성 가스(inert gas) 등의 비도전성 유체를 충전할 수도 있다..

유체 저장부(30)는 평면도에서 실질적으로 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다. 유체 저장부(30)에 주입되는 도전성 유체(5)로는, 상온 상압에서 액체 상태인, 수은과 같은 도전성 유체를 사용할 수 있다. 도 1 (B)에 나타낸 바와 같이, 유체 채널(32)은 실질적으로 사다리꼴 형상의 코너부(31)에 연결된다. 이와 같이, 유체 저장부(30)와 유체 채널(32)의 연결부가 유체 채널로 향하는 방향으로 개구 면적이 서서히 감소하도록 형성되므로, 도전성 유체(5)를 유체 저장부(30)로부터 유체 채널(32)을 향해 순조롭게 이동시킬 수가 있다. 또, 액추에이터(6)의 동작 상태에서는 도전성 유체(5)의 이동거리를 쉽게 제어할 수 있고, 도전성 유체(5)를 수용하는 유체 저장부(30) 내에 기포가 잔류하기 어려워진다. 도면에서, 도면부호 34는 도전성 유체(5)를 유체 저장부(30)에 주입하기 위한 주입 구멍을 가리킨다. 주입 구멍(34)은, 유체 채널(32)에 연결된 코너부(31)의 반대측에 배치된, 유체 저장부(30)의 코너부에 형성되어 있다. 도전성 유체(5)가 주입된 후, 주입 구멍(34)은 커버(7)에 의해 닫혀져 내부 공간이 밀폐된다.

다이어프램부(20)는, 도전성 유체(5)가 주입되어 있는 유체 저장부(30)의 천정면(ceiling surface)을 제공한다. 다이어프램부(20)는 반도체 미세 가공 기술, 예를 들면 이방성 에칭을 사용하여 Si 기판에 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 다이어프램부(20)를 탄성 변형시키기 위한 액추에이터(6)로는, 다이어프램부(20)의 상면에 형성된 금속막(60)과 금속막(20) 상에 형성된 압전막(62)으로 형성된, 유니모프형 압전 액추에이터를 사용할 수 있다. 보다 큰 구동력이 필요한 경우, 바이 모프형 압전 액추에이터 또는 다층형 압전 액추에이터를 사용할 수 있다. 바이모프형 압전 액추에이터는 다이어프램부(20)의 표면에 형성된 제1 압전막, 제1 압전막 상에 형성된 금속막, 및 금속막 상에 형성된 제2 압전막으로 형성되어 있다. 다층형 압전 액추에이터는 다이어프램부(20)의 표면에, 복수의 금속막과 복수의 압전막을 교대로 적층하여 형성된다. 소정의 전압을 인가함으로써, 액추에이터(6)가 두께 방향으로 휘어서 다이어프램부(20)를 탄성 변형시킨다.

상기한 릴레이 장치에서는, 액추에이터(6)가 휴지 상태인 경우, 유체 채널(32) 내에 접점(40, 42) 사이에 도전성 유체(5)가 존재하지 않도록 유체 저장부(30) 내의 도전성 유체(5)의 주입량이 결정된다. 다음에, 액추에이터(6)을 동작시키는 경우, 도 2 (A)-(C)에 나타낸 바와 같이, 액추에이터(6)의 구동력에 의해 다이어프램부(20)가 탄성 변형을 일으켜 유체 저장부(30)의 용적이 감소하고, 도 2 (A)에서 화살표로 나타낸 방향으로 도전성 유체(5)가 유체 채널(32) 내로 밀려나온다. 유체 채널(32) 내로 밀려나온 도전성 유체(5)가 접점(40, 42) 사이에 도통 상태를 형성한다. 그리고, 액추에이터(6)의 동작을 정지하면, 유체 저장부(30)의 용적은 원래대로 회복되고, 유체 채널(32) 내로 밀려나온 도전성 유체(5)는 유체 저장부(30)로 다시 이동한다. 그 결과, 접점(40, 42) 사이는 비도통 상태가 된다. 이와 같이, 본 실시예의 릴레이 장치는, 액추에이터(6)를 구동하지 않는 한, 접점(40, 42) 사이에 비도통 상태가 유지되는 상개형(常開型, normally-open type) 릴레이 장치이다. 이와는 달리, 본 실시예의 릴레이 장치는 상폐형(常閉型, normally-close type) 릴레이 장치로 제공될 수도 있다. 이 경우에, 유체 저장 부(30) 내의 도전성 유체(5)의 주입량은, 액추에이터(6)가 휴지 상태인 경우에, 도전성 유체(5)가 유체 채널(32) 내의 접점(40, 42) 사이에 존재하도록 결정된다. 액추에이터(6)를 동작시키면, 유체 채널(32) 내의 도전성 유체(5)가 유체 저장부(30) 내에 흡인되도록 다이어프램부(20)를 탄성 변형시킨다. 그 결과, 도전성 유체(5)의 이동에 의해 접점 사이에 비도통 상태를 얻을 수 있다.

도 3 (A)-(D)에 나타낸 바와 같이, 액추에이터(6)에 의해 다이어프램부(20)를 효율적으로 탄성 변형시키기 위해, 다이어프램부(20)의 실질적으로 중앙부(사다리꼴 형상으로 형성됨)에 배치되고, 다이어프램부와 일체로 형성되는 돌기(22)를 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 다이어프램부(20)는 이 돌기(22)를 통하여 액추에이터(6)에 연결되고, 액추에이터(6)의 구동력은 돌기(22)를 통하여 다이어프램부(20)에 효율적으로 전달된다. 다르게는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 액추에이터(6)에 형성된 돌기(64)를 통하여 액추에이터(6)를 다이어프램부(20)에 연결하여 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이 릴레이 장치에서, 액추에이터(6)의 일단은, 도 3(A)에 나타낸 바와 같이, 액추에이터(6)의 타단이 요부(21) 위로 돌출하는 캔틸레버(cantilever) 방식으로 반도체 기판(2)의 상면에 접합되어 있다. 필요에 따라, 액추에이터(6)의 양단을 반도체 기판에 접합하여, 액추에이터(6)가 요부(21)를 걸치는 이중 지지 빔 구조를 가지도록 할 수도 있다. 또, 돌기(22, 64)의 형상은 특정한 것으로 한정되지 않는다. 응력 집중을 회피하는 관점에서, 돌기는 원주형(columnar shape) 또는 원뿔의 사다리꼴 형상(conical trapezoid shape)으로 형성되는 것이 바람직하고, 돌기를 삼각뿔대 형상(truncated pyramid shape)으로 형 성하는 경우, 에지부(edge portion)를 챔퍼링(chamfering)하는 것이 바람직하다.

다이어프램부(20)가 과도하게 탄성 변형을 일으키는 것을 방지하기 위하여, 도 5에 나타낸 바와 같이, 유체 저장부(30)에 면하는 다이어프램부(20)의 표면에 스토퍼 보스(23)를 형성하는 것이 바람직하다. 스토퍼 보스(23)의 높이는, 다이어프램부(20)가 과도하게 변형되는 경우, 스토퍼 보스(23)가 절연 기판(1)에 접촉하도록 결정된다. 이로써, 다이어프램부(20)의 파손을 미연에 방지할 수 있다. 다이어프램부(20)에 스토퍼 보스(23)를 형성하는 대신에, 도 6에 나타낸 바와 같이, 다이어프램부(20)에 면하는 절연 기판(1) 상에 스토퍼 보스(12)를 형성하여도 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또, 도 7에 나타낸 바와 같이, 다이어프램부(20)가 과도하게 탄성 변형을 일으키는 경우에 액추에이터(6)가 접촉하도록, 요부(21) 내에 단차부(step portion)(24)를 설치하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 액추에이터(6)에 발생한 다이어프램부(20)의 탄성 변형량을 제한할 수 있어, 스토퍼 보스(23, 12)와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

그런데, 유체 채널(32)의 내경이 비교적 작은(예컨대, 1mm 이하) 소형의 릴레이 장치의 경우는, 유체 채널(32) 내의 도전성 유체(5)의 이동거리의 편차로 인해 릴레이 동작이 불안정할 우려가 있다. 예를 들면, 다이어프램부(20)의 탄성 변형에 의해 유체 채널(32) 내에 도전성 유체(5)가 밀려나온 상태에서, 액추에이터(6)의 동작이 정지되면, 유체 채널(32) 내의 공기압에 의해 도전성 유체(5)의 대부분은 유체 저장부(30)로 향해 이동하지만, 도전성 유체(5)의 일부가 종종 유체 채널(32) 내에 잔류한다. 이 경우, 도전성 유체(5)가 접점(40, 42) 사이에 잔류 하면, 액추에이터(5)가 휴지 상태임에도 불구하고, 접점(40, 42) 사이에 비도통 상태를 얻을 수 없게 된다.

유체 채널(32)의 내경이 작은 경우에도 안정된 릴레이 동작을 얻기 위해서는, 유체 채널(32) 내에 잔류하는 도전성 유체(5)가 접점(40, 42) 사이에 안정되게 존재하기 어렵게 하는 수단을 강구하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 8 (A)에 나타낸 바와 같이, 접점(40, 42) 사이의 유체 채널(32)의 내 표면에 도전성 유체에 대한 젖음성이 낮은 영역(35)을 설치한 경우, 접점(40, 42) 사이에 도전성 유체(5)가 잔류하더라도, 젖음성의 낮은 영역(35)에서는 도전성 유체(5)의 접촉 저항이 작기 때문에, 젖음성이 더 높은 다른 영역으로 이동하기 쉬워진다. 따라서, 액추에이터(6)의 휴지 상태에서 도전성 유체(5)가 접점(40, 42) 사이에 머물기가 어려워져, 접점(40, 42) 사이에 비도통 상태를 신뢰성 있게 얻을 수 있다. 이에 대해, 액추에이터(6)를 동작시키면, 접점(40, 42) 사이의 유체 채널(32)의 내부 공간이 도전성 유체(5)로 채워지므로, 접점(40, 42) 사이에 젖음성이 낮은 영역(35)의 존재는 도통 상태의 형성에 지장을 주지 않는다. 젖음성이 낮은 영역(35)을 형성하기 위해, 예를 들면, 반도체 기판(2)에 유체 채널(32)로서 형성된 홈에 대해 블라스트 처리(blast treatment)나 에칭 처리(etching treatment)를 할 수 있다. 또는, 조면화 처리(surface roughing treatment)로서 불소 수지막(fluorocarbon resin film)을 형성할 수 있다.

또, 유체 채널(32) 내의 접점(40, 42) 사이에, 도전성 유체(5)의 이동에 대 해서 저항이 커지는 영역을 형성할 수도 있다. 예를 들면, 도 8 (B)에 나타낸 바와 같이, 유체 채널(32) 내의 접점(40, 42) 사이에서 유체 채널(32)의 내경을 부분적으로 좁힌 영역(36)을 설치하거나, 접점(40, 42) 사이에서 유체 채널의 단면 형상을 변경한다(예컨대, 원형 단면을 가지는 유체 채널(32) 내에 삼각형 단면을 가지는 영역을 부분적으로 형성한다). 이 경우에, 접점 사이에서 도전성 유체(5)의 흐름이 중단되기 쉬워진다. 이와 같이, 접점(40, 42) 사이에 도전성 유체(5)의 흐름이 중단되기 쉬운 부분을 고의로 형성하면, 액추에이터(6)의 휴지 상태에서 도전성 유체(5)의 일부가 접점(40, 42) 사이에 잔류해도, 접점(40, 42) 사이에 비도통 상태를 신뢰성 있게 얻을 수 있다.

또, 유체 채널(32) 내의 도전성 유체(5)의 이동에 의해 접점을 개폐하는 경우에, 이상적으로는 유체 채널(32) 내에 한 쌍의 접점(40, 42)을 형성하는 것으로 충분하다. 그러나, 실제로는, 액추에이터의 구동력, 다이어프램부의 탄성 변형량, 적층체의 내부 공간의 용적, 유체 저장부에 주입되는 도전성 유체의 양 등 각종 요인에 의해, 유체 채널(32) 내에서의 도전성 유체(5)의 이동거리에는 변동이 생긴다. 따라서, 릴레이 장치의 신뢰성 향상을 위한 관점에서는, 릴레이 장치는 편차 발생에 대처하기 위한 유연성을 갖는 것이 바람직하다.

상기한 변동이 릴레이 장치의 동작 신뢰성에 미치는 영향을 감소시키기 위해, 유체 채널(32) 내의 소정의 거리마다 한 쌍의 접점을 형성하고, 복수 쌍의 접점 중 한 쌍의 접점을 사용하여 도통 상태를 형성하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 도 9 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 유체 채널 내에 한 쌍의 제1 접 점(40A, 42A)과, 한 쌍의 제2 접점(40B, 42B)이 형성되어 있다. 제1 접점 중 하나(40A)와 제2 접점 중 하나(40B)는 절연 기판(1)의 하면에서 대응하는 단자(45)에 배선 패턴(43)을 통하여 전기적으로 연결된다. 마찬가지로, 제1 접점 중 다른 하나(42A)와 제2 접점 중 다른 하나(42B)는 절연 기판(1)의 하면에서 대응하는 단자(45)에 배선 패턴(43)을 통하여 전기적으로 연결된다. 복수 쌍의 접점을 유체 채널(32) 내에 형성함으로써, 액추에이터(6)의 동작 상태에서 도전성 유체(5)의 이동거리가 상대적으로 짧은 경우는, 제1 접점 쌍(40A, 42A)이 도통 상태와 비도통 상태의 스위칭에 사용된다. 한편, 액추에이터(6)의 동작 상태에서 도전성 유체(5)의 이동거리가 상대적으로 긴 경우는, 제2 접점 쌍(40B, 42B)이 도통 상태와 비도통 상태의 스위칭에 사용된다. 이와 같이, 이 릴레이 장치는 도전성 유체(5)의 위치 변위(이동거리)의 편차(변동)에 대처할 수 있는 유연성을 갖는다. 이에 대해, 사용하지 않는 접점과 대응하는 단자 사이의 전기 연결은 필요에 따라 차단할 수 있다.

전술한 바와 같이, 복수 쌍의 접점을 유체 채널(32) 내에 형성하려면, 형성할 접점의 수에 따라 유체 채널(32)의 길이를 연장할 필요가 있다. 그러나, 유체 채널(32)의 길이 증대는 릴레이 장치 전체의 대형화를 초래할 수 있다. 그래서, 도 10에 나타낸 바와 같이, 유체 채널(32)을 파동 형상으로 구성하는 것이 바람직하다. 이 유체 채널(32)은 서로 실질적으로 평행한 직선 채널(37)과 인접하는 직선 채널(37)의 사이를 연결하는 곡선 채널(38)로 형성된다. 각각의 접점은 곡선 채널(38) 주변에 배치될 수 있다. 유체 채널(32)의 형상은, 파동 형상으로 한정되 지 않는다. 또한, 유체 채널(32)이 일정 면적 내에서 원하는 길이를 가진다는 가정 아래, 다른 형상의 유체 채널(32)을 사용할 수도 있다.

그런데, 작은 내경(예컨대, 1 mm 이하)의 유체 채널(32)은 반도체 미세 가공 기술을 사용하여 형성할 수 있지만, 절연 기판(1)에 형성되는 접점은 전기 연결의 신뢰성을 확보하기 위해 일정한 크기여야 하는 경우가 있다. 예를 들면, 유체 채널(32)의 내경이 접점의 크기보다 작은 경우, 접점(40, 42)을 가지는 절연 기판(1)을, 유체 채널(32)로서 홈을 가지는 반도체 기판(2)에 양극 접합하여 적층체를 형성하면, 접점 표면에 반도체 재료(Si)가 부착되어 전기 연결의 신뢰성을 저하시킬 우려가 있다. 그러므로, 이러한 가는 유체 채널(32)을 형성하는 경우에는, 도 11 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 각 접점(40, 42) 주변에, 유체 채널(32)과 통하는 얕은 홈(26)을 형성하는 것이 바람직하다. 얕은 홈(26)은, 절연 기판(1)을 반도체 기판(2)에 접합할 때, 접점(40, 42)이 반도체 기판(2)에 직접 접촉하지 않도록 형성된다. 또, 얕은 홈(26)의 깊이는, 유체 채널(32) 내를 흐르는 도전성 유체(5)가 그 표면 장력에 의해 얕은 홈 내로 유출되지 않도록 결정된다. 이로써, 릴레이 장치를 소형화하는 경우라도, 전기적 연결의 신뢰성을 확보할 수 있다.

또, 도 12 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 각 접점(40, 42)을, 유체 채널(32)로부터 떨어진 위치에 형성하고, 리드부(47)를 형성하여 접점과 유체 채널(32) 사이에 연장되도록 하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 반도체 기판(2)이 접점(40, 42)과 리드부(47)에 직접 접촉하지 않도록 하는 형상으로 얕은 홈(26)이 형성된다.

도 13 (A)에 나타낸 바와 같이, 또한 유체 저장부(30)에 도전성 유체(5)를 주입하기 위해 사용되는 주입 구멍(34)의 내 표면에는, 도전성 유체(5)에 대한 젖음성이 높은 금속막(28)을 형성하는 것이 바람직하다. 금속막(28)을 구성하는 재료로는, 반도체 기판이 Si인 경우, 크롬 또는 티타늄을 사용할 수 있다. 이로써, 주입 구멍(34)이 커버(7)로 닫힐 때까지, 도전성 유체(5)가 유체 저장부(30)로부터 누출되기가 어려워진다. 또, 도 13 (B)에 나타낸 바와 같이, 주입 구멍(34)이 넓은 개구부를 가지도록 형성되면, 도전성 유체(5)를 주입하는 작업이 용이 해진다. 또, 커버(7)로 주입 구멍(34)을 닫은 후에는, 도전성 유체(5)가 커버(7)에 접촉하기 어려워진다.

(제2 실시예)

본 실시예의 릴레이 장치는, 유체 저장부가 그 평면도에서 실질적으로 원 형상을 가지고, 유체 채널을 형성하지 않고서 한 쌍의 접점을 유체 저장부 내에 배치한 것을 특징으로 하는 것이다. 즉, 이 릴레이 장치는 이하의 특징을 제외하고는 제1 실시예의 릴레이 장치와 실질적으로 동일하다. 따라서, 공통되는 부분에 대한 중복 설명을 생략한다.

본 실시예의 릴레이 장치에서, 도 14 (A)-(C)에 나타낸 바와 같이, 유체 저장부(30)는 그 평면도에서 실질적으로 원 형상을 가지고, 절연 기판(1)에 유체 저장부(30) 내에 노출되도록 한 쌍의 접점(40, 42)을 형성하고 있다. 도전성 유체(5)는, 액추에이터(6)의 휴지 상태에서 하나의 접점(40)에만 항상 접촉하도록 유체 저장부(30) 내에 주입되어 있다. 이 상태에서 액추에이터(6)를 동작시키면, 원 형의 다이어프램부(20)가 탄성 변형하여, 도 15 (A) 및 (B)에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 유체 저장부(30) 내에서 도전성 유체(5)가 다른 하나의 접점(42)을 향해 이동한다. 이로써, 유체 저장부(30) 내에서 접점(40, 42) 사이에 도통 상태가 형성된다.

본 실시예에 사용한 액추에이터(6)는, 다이어프램부(20)의 표면에 형성된 제1 압전막(65), 제1 압전막 상에 형성된 금속막(67), 및 상기 금속막 상에 형성된 제2 압전막(68)을 포함하는 바이모프형 압전 액추에이터이다. 또, 원 형상의 다이어프램부(20)의 실질적으로 중심에는 돌기(22)가 형성되고, 이 돌기(22)를 통하여 다이어프램부(20)는 액추에이터(6)에 연결되어 있다. 돌기(22)의 위치는, 다이어프램부(20)의 실질적으로 중심에 한정되지 않는다. 다르게는, 다이어프램부(20)의 탄성 변형에 의해 도전성 유체를 다른 쪽의 접점을 향해 효율적으로 이동시킬 수 있는 위치에 형성될 수 있다.

(제3 실시예)

상기한 제1 실시예의 기본 사상에 따라, 본 실시예의 릴레이 장치는 액추에이터를 동작시킴으로써, 항상 열린 상태로 구성된 한 쌍의 접점과 항상 닫힌 상태로 구성된 한 쌍의 접점을 동시에 제어하는 것에 특징이 있다. 즉, 이 릴레이 장치는 이하의 특징을 제외하고는 제1 실시예의 릴레이 장치와 실질적으로 동일하다. 따라서, 공통되는 부분에 대한 중복 설명을 생략한다.

도 16 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 릴레이 장치는, 다이어프램부(20)가 면하고 내부에 도전성 유체(5)를 수용하도록 구성된 유체 저장 부(30), 유체 저장부(30)로부터 떨어져서 내부에 도전성 유체(5)를 수용하도록 형성된 제2 유체 저장부(90), 그리고 유체 저장부(30)와 제2 유체 저장부(90)를 연결하는 유체 채널(32)로 구성되는 내부 공간을 가진다. 제1 실시예에서와 같이, 한 쌍의 접점(40, 42)이 유체 저장부(30)로부터 소정의 거리만큼 떨어져서 유체 채널(32) 내에 배치되어 있다. 한편, 다른 한 쌍의 접점(80, 82)이 제2 유체 저장부(90)로부터 소정의 거리만큼 떨어져서 유체 채널(32) 내에 배치되어 있다. 액추에이터(6)를 동작시키지 않는 경우, 도 16 (A)에 나타낸 바와 같이, 제2 유체 저장부(90)로부터 제공되는 도전성 유체(5)에 의해 접점(80, 82) 사이에 도통 상태가 형성되고, 접점(40, 42) 사이에는 비도통 상태가 유지된다.

이 상태에서, 액추에이터(6)를 동작시키면, 도 17 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 다이어프램부(20)의 탄성 변형에 의해 유체 저장부(30) 내의 도전성 유체(5)가 유체 채널(32) 내에 밀려나와, 접점(40, 42) 사이에 도통 상태가 형성된다. 한편, 액추에이터(6)의 휴지 상태에서는 접점(80, 82) 사이에 도통 상태를 형성하는 데 사용된 도전성 유체(5)가, 유체 채널(32) 내의 공기압에 의해 제2 유체 저장부(90)를 향해 이동되어, 접점(80, 82) 사이에 비도통 상태가 형성된다.

이 상태에서, 액추에이터(6)의 동작을 정지하면, 접점(40, 42) 사이에 도통 상태를 형성하는 데 사용된 도전성 유체(5)는 유체 저장부(30)를 향해 다시 이동하므로, 접점(40, 42) 사이는 다시 비도통 상태가 된다. 한편, 도전성 유체(5)의 유체 저장부(30)로의 이동에 의해 유체 채널(32)의 내부는 감압 분위기(reduced atmosphere)가 되기 때문에, 도전성 유체(5)는 제2 유체 저장부(90)로부터 유체 채 널(32) 내로 빨려나와, 접점(80, 82) 사이에 다시 도통 상태가 형성된다. 이와 같이, 접점((40, 42) 사이 및 접점(80, 82)) 사이의 개폐 동작을 단일의 액추에이터(6)를 사용하여 제어할 수 있다. 이에 대해, 상개형 접점인 접점(40, 42) 중 하나가 상폐형 접점인 접점(80, 82) 중 하나와 단락되면, 트랜스퍼 접점(transfer contact)으로 사용될 수 있다.

본 실시예의 변형예를 도 18 (A) 및 (B)에 나타낸다. 이 변형예는, 유체 채널이 분기 채널(branch channel)을 가지고 단일의 액추에이터의 동작에 의해 네 쌍의 접점의 개폐 동작을 동시에 제어할 수 있는 점에서 상기 실시예와 다르지만, 기본적인 동작 메커니즘은 같다.

즉, 이 변형예의 유체 채널(32)은, 일단이 유체 저장부(30)에 연결되고 타단이 분기부(branch portion)(B1)에 연결되는 제1 흐름 채널(flow channel)(P1), 분기부(B1)와 합류부(merge portion)(C1) 사이에 형성된 한 쌍의 제1 평행 채널(parallel channel)(P2), 일단이 제2 유체 저장부(90)에 연결되고 타단이 분기부(B2)에 연결되는 제2 흐름 채널(P3), 분기부(B2)와 합류부(C2) 사이에 형성된 한 쌍의 제2 평행 채널(P4), 그리고 합류부(C1, C2) 사이를 연결하는 접합 채널(junction channel)(P5)로 구성된다. 각각의 제1 평행 채널(P2)에는, 제1 실시예에서와 같이, 한 쌍의 접점((40, 42), (46, 48))이 배치되어 있다. 유사하게, 각각의 제2 평행 채널(P4)에는 한 쌍의 접점((80, 82), (86, 88))이 배치되어 있다. 도 18 (A)에 나타낸 바와 같이, 액추에이터(6)를 동작시키지 않은 경우, 제1 평행 채널(P2)에서는 접점(40, 42) 사이 및 접점(46, 48) 사이에 비도통 상태가 유 지되고, 제2 평행 채널(P4)에서는 제2 유체 저장부(90)로부터 제공되는 도전성 유체(5)에 의해 접점(80, 82) 사이 및 접점(86, 88) 사이에 도통 상태가 형성된다.

이 상태에서, 액추에이터(6)를 동작시키면, 도 18 (B)에 나타낸 바와 같이, 다이어프램부(20)의 탄성 변형에 의해 유체 저장부(30) 내의 도전성 유체(5)가 유체 채널(32) 내에 밀려나와, 제1 평행 채널(P2) 내의 접점(40, 42) 사이 및 접점(46, 48)) 사이에 도통 상태가 형성된다. 한편, 액추에이터(6)의 휴지 상태에서, 제2 평행 채널(P4) 내의 접점(80, 82) 사이 및 접점(86, 88) 사이에 도통 상태를 형성하는 데 사용된 도전성 유체(5)는, 접합 채널(P5) 내의 공기압에 의해 제2 유체 저장부(90)로 향해 이동되어, 제2 평행 채널(P4) 내의 접점(80, 82) 사이 및 접점(86, 88)) 사이는 비도통 상태가 된다. 이와 같이, 네 쌍의 접점의 개폐 동작을 단일의 액추에이터를 사용하여 제어할 수 있다.

본 실시예에서는, 두 쌍의 접점 또는 네 쌍의 접점 사이의 개폐 동작을 단일의 액추에이터를 사용하여 제어하는 경우에 대하여 설명하였다. 하지만, 제어되는 접점 쌍의 수는 이들에 한정되지 않고, 유체 채널을 적절히 설계함으로써 임의로 결정할 수 있다.

상기한 제1 실시예의 도 1 (A) 및 도 2 (A)에 나타낸 릴레이 장치에서는, 액추에이터(6)의 휴지 상태에서 도전성 유체(5)는 두 접점(40, 42) 모두와 접촉하지 않고, 액추에이터(6)의 동작 상태에서 도전성 유체(5)가 유체 채널(32) 내를 이동하여 양쪽의 접점(40, 42)에 접촉하는 경우를 설명하였다. 다르게는, 도 19 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 액추에이터의 휴지 상태에서(도 19 (A)) 도전성 유 체(5)는 항상 접점 중 하나(40)에 접촉할 수 있다. 액추에이터(6)를 동작시키면, 도 19 (B)에 나타낸 바와 같이, 도전성 유체(5)가 유체 채널(32) 내에서 유체 저장부(30)와 멀어지는 방향으로 이동하여 접점(40, 42) 사이에 도통 상태를 형성한다. 이 경우는, 액추에이터(6)의 동작 상태에서 도전성 유체(5)는 접점 중 하나만을 통과하여야 한다. 그러므로, 접점과 도전성 유체 사이의 젖음력(wetting force)(마찰 저항)은, 도전성 유체가 두 접점 모두를 통과하여야 경우에 비해 반으로 줄어들 수 있다. 결과적으로, 유체 채널 내에서의 도전성 유체의 이동이 순조롭게 진행될 수 있다. 이 변형예는 도 16 (A) 및 도 17 (A)에 나타낸 제3 실시예의 릴레이 장치, 및 도 18 (A) 및 (B)에 나타낸 릴레이 장치에도 마찬가지로 적용 가능하다.

또, 도 20 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 액추에이터(6)의 휴지 상태에서(도 20(A)) 도전성 유체(5)는 유체 채널(32) 내에서 두 접점(40, 42) 모두와 항상 접촉하여 있다. 액추에이터(6)를 동작시키면, 도 20 (B)에 나타낸 바와 같이, 도전성 유체(5)가 유체 채널(32) 내에서 유체 저장부(30)로 향해 이동하여 접점 사이에 비도통 상태를 형성한다. 이 경우에도 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 도 19 (A) 및 도 20 (A)에서, 도면부호 "d"는 도전성 유체(5)의 이동 거리를 나타낸다.

상기 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 도전성 유체를 사용한 릴레이 장치는, 다이어프램부의 탄성 변형에 의해 도전성 유체를 이동시켜 접점 사이의 스위칭을 행하므로, 가열에 의해 도전성 유체를 이동시켜 접점 사이의 스위칭 을 행하는 경우에 비하여 응답성이 뛰어나다. 또, Si와 같은 반도체 기판에 다이어프램부를 형성하므로, 다이어프램부를 탄성 변형시키는데 필요한 액추에이터의 구동력을 줄일 수 있다. 또한, 도전성 유체가 접촉하는 유체 채널의 내 표면에 도전성 유체에 대한 젖음성이 낮은 영역을 설치하는 경우, 유체 채널 내에서의 도전성 유체의 이동에 의한 접점의 개폐 동작을 신뢰성 있게 얻을 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 릴레이 장치는 특히 높은 스위칭 응답성과 소형화가 요구되는 애플리케이션에서의 사용이 기대된다.

Claims (23)

1. 절연 기판에 반도체 기판을 접합하여 형성되고, 내부 공간을 가지는 적층체;

   상기 내부 공간에 노출된 둘 이상의 접점;

   상기 내부 공간에 면하도록 상기 반도체 기판에 형성된 다이어프램부(diaphragm portion);

   상기 내부 공간에 밀봉된 도전성 유체; 및

   상기 다이어프램부를 탄성 변형시키도록 구성된 액추에이터

   를 포함하고,

   상기 다이어프램부의 탄성 변형에 의해 생긴 상기 내부 공간의 용적 변화가 상기 내부 공간 내의 도전성 유체의 위치 변위(positional displacement)를 일으켜서, 상기 접점 사이에 도통 상태 또는 비도통 상태를 형성하며,

   상기 다이어프램부와 상기 액추에이터 중 하나는 돌기(projection)를 가지고, 상기 다이어프램부는 상기 액추에이터에 상기 돌기를 통하여 연결되며, 상기 돌기는 상기 다이어프램부의 중앙에 위치하는

   것을 특징으로 하는, 릴레이 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 반도체 기판은 Si 기판이고,

   상기 다이어프램부는 상기 Si 기판과 일체로 형성되어 있는, 릴레이 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 반도체 기판의 서로 반대방향의 2면 중 한 면은 상기 절연 기판에 접합 되어 있고, 다른 면은 요부(凹部)를 가지며,

   상기 다이어프램부는 상기 요부의 바닥에 형성되어 있고,

   상기 액추에이터는 상기 요부 내에 수용되어 있는, 릴레이 장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 절연 기판은 상기 다이어프램부에 면하는 위치에서 상기 내부 공간에 돌출하는 스토퍼 보스(stopper boss)를 가지는, 릴레이 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 다이어프램부는 상기 내부 공간으로 향해 돌출하는 스토퍼 보스를 가지는, 릴레이 장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 액추에이터는,

   상기 다이어프램부의 표면에 형성된 금속막(metal film), 및 상기 금속막 상에 형성된 압전막(piezoelectric film)을 포함하는 유니모프형(unimorph type) 압전 액추에이터,

   상기 다이어프램부의 표면에 형성된 제1 압전막, 상기 제1 압전막 상에 형성된 금속막, 및 상기 금속막 상에 형성된 제2 압전막을 포함하는 바이모프형 압전 액추에이터, 및

   상기 다이어프램부의 표면에 복수의 금속막과 복수의 압전막을 교대로 적층하여 형성된 다층형 압전 액추에이터

   로부터 선택되는, 릴레이 장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 적층체의 내부 공간은, 상기 다이어프램부에 면하는 유체 저장부, 및 일단이 상기 유체 저장부에 연결되고 타단이 폐쇄되어 있는 유체 채널을 포함하고,

   상기 둘 이상의 접점은 상기 유체 채널 내에 배치되어 있는, 릴레이 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 유체 저장부는, 그 개구 면적(aperture area)이 상기 유체 채널로 향하는 방향으로 서서히 감소하는 형상으로 구성되어 있는, 릴레이 장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 유체 저장부에 면하는 상기 다이어프램부는, 실질적으로 직사각형 형상으로 구성되어 있고, 상기 직사각형 형상의 코너부(corner portion)에서 상기 유체 채널이 상기 유체 저장부에 연결되어 있는, 릴레이 장치.
11. 제8항에 있어서,

    상기 유체 채널은, 상기 도전성 유체에 대한 젖음성(wetting property)이 상이한 제1 영역과 제2 영역을 가지고,

    상기 제2 영역은, 인접하는 접점 사이에 형성되고, 상기 제1 영역보다 상기 도전성 유체에 대한 젖음성이 낮은, 릴레이 장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 제2 영역은, 표면 거칠기가 상기 제1 영역의 표면 거칠기보다 큰, 릴레이 장치.
13. 제8항에 있어서,

    상기 유체 채널은, 단면적 또는 단면 형상이 상이한 제1 영역과 제2 영역을 가지고,

    상기 제2 영역은, 인접한 접점 사이에 형성되고, 상기 도전성 유체의 이동에 대한 저항이 상기 제1 영역보다 큰, 릴레이 장치.
14. 제13항에 있어서,

    상기 제2 영역의 내경(inner diameter)은 상기 제1 영역의 내경보다 작은, 릴레이 장치.
15. 제8항에 있어서,

    상기 반도체 기판은,

    도통 상태에서 상기 도전성 유체가 상기 절연 기판 상에 배치된 상기 접점의 일부에 접촉하도록 형성된 상기 유체 채널, 및

    상기 접점과 상기 반도체 기판의 접촉을 방지하기 위해 상기 접점의 주변에 형성되고, 상기 유체 채널과 통하는 얕은 홈(shallow groove)을 가지는, 릴레이 장치.
16. 절연 기판에 반도체 기판을 접합하여 형성되고, 내부 공간을 가지는 적층체;

    상기 내부 공간에 노출된 둘 이상의 접점;

    상기 내부 공간에 면하도록 상기 반도체 기판에 형성된 다이어프램부(diaphragm portion);

    상기 내부 공간에 밀봉된 도전성 유체; 및

    상기 다이어프램부를 탄성 변형시키도록 구성된 액추에이터

    를 포함하고,

    상기 다이어프램부의 탄성 변형에 의해 생긴 상기 내부 공간의 용적 변화가 상기 내부 공간 내의 도전성 유체의 위치 변위(positional displacement)를 일으켜서, 상기 접점 사이에 도통 상태 또는 비도통 상태를 형성하며,

    상기 적층체는, 상기 다이어프램부에 면하는 유체 저장부, 및 일단이 상기 유체 저장부에 연결되고 타단이 폐쇄되어 있는 유체 채널로 구성된 내부 공간을 가지며, 상기 둘 이상의 접점은 상기 유체 채널 내에 배치되고,

    상기 유체 채널은, 서로 평행한 직선 채널(straight channel)과, 인접하는 직선 채널 사이를 연결하는 곡선 채널(curved channel)을 포함하는, 파동 형상으로 형성되는,

    것을 특징으로 하는, 릴레이 장치.
17. 제16항에 있어서,

    각각의 상기 접점은 상기 곡선 채널 주변에 배치되어 있는, 릴레이 장치.
18. 절연 기판에 반도체 기판을 접합하여 형성되고, 내부 공간을 가지는 적층체;

    상기 내부 공간에 노출된 둘 이상의 접점;

    상기 내부 공간에 면하도록 상기 반도체 기판에 형성된 다이어프램부(diaphragm portion);

    상기 내부 공간에 밀봉된 도전성 유체; 및

    상기 다이어프램부를 탄성 변형시키도록 구성된 액추에이터

    를 포함하고,

    상기 다이어프램부의 탄성 변형에 의해 생긴 상기 내부 공간의 용적 변화가 상기 내부 공간 내의 도전성 유체의 위치 변위(positional displacement)를 일으켜서, 상기 접점 사이에 도통 상태 또는 비도통 상태를 형성하며,

    상기 적층체는, 상기 다이어프램부에 면하는 유체 저장부, 및 일단이 상기 유체 저장부에 연결되고 타단이 폐쇄되어 있는 유체 채널로 구성된 내부 공간을 가지며, 상기 둘 이상의 접점은 상기 유체 채널 내에 배치되고,

    상기 적층체는 상기 도전성 유체를 상기 유체 저장부에 주입하도록 구성된 주입 채널을 가지고,

    상기 주입 채널의 내 표면은 상기 도전성 유체에 대한 젖음성이 높은 금속막을 가지는,

    것을 특징으로 하는, 릴레이 장치.
19. 제8항에 있어서,

    상기 액추에이터의 휴지 상태(rest state)에서는, 상기 둘 이상의 접점 중 하나만이 상기 도전성 유체와 항상 접촉하고,

    상기 액추에이터의 동작 상태(active state)에서는, 상기 도전성 유체가 상기 유체 채널 내로 이동하여 상기 접점 사이에 도통 상태를 형성하는, 릴레이 장치.
20. 제8항에 있어서,

    상기 액추에이터의 휴지 상태에서는, 상기 접점 사이에 도통 상태는 상기 도전성 유체에 의해 유지되고,

    상기 액추에이터의 동작 상태에서는, 상기 도전성 유체가 상기 유체 채널로 이동하여 상기 도전성 유체와 상기 접점 중 하나와의 접촉이 해제되어, 상기 접점 사이에 비도통 상태를 형성하는, 릴레이 장치.
21. 절연 기판에 반도체 기판을 접합하여 형성되고, 내부 공간을 가지는 적층체;

    상기 내부 공간에 노출된 둘 이상의 접점;

    상기 내부 공간에 면하도록 상기 반도체 기판에 형성된 다이어프램부(diaphragm portion);

    상기 내부 공간에 밀봉된 도전성 유체; 및

    상기 다이어프램부를 탄성 변형시키도록 구성된 액추에이터

    를 포함하고,

    상기 다이어프램부의 탄성 변형에 의해 생긴 상기 내부 공간의 용적 변화가 상기 내부 공간 내의 도전성 유체의 위치 변위(positional displacement)를 일으켜서, 상기 접점 사이에 도통 상태 또는 비도통 상태를 형성하며,

    상기 적층체는, 상기 다이어프램부가 면하는 유체 저장부를 포함하고, 상기 둘 이상의 접점이 상기 유체 저장부에 배치되어 있으며,

    상기 다이어프램부의 탄성 변형에 의해 상기 유체 저장부 내의 상기 도전성 유체에 위치 변위가 생겨서, 상기 접점 사이에 도통 상태 또는 비도통 상태를 형성하는,

    것을 특징으로 하는, 릴레이 장치.
22. 제21항에 있어서,

    상기 다이어프램부는 실질적으로 원 형상으로 형성되어 있는, 릴레이 장치.
23. 절연 기판에 반도체 기판을 접합하여 형성되고, 내부 공간을 가지는 적층체;

    상기 내부 공간에 노출된 둘 이상의 접점;

    상기 내부 공간에 면하도록 상기 반도체 기판에 형성된 다이어프램부(diaphragm portion);

    상기 내부 공간에 밀봉된 도전성 유체; 및

    상기 다이어프램부를 탄성 변형시키도록 구성된 액추에이터

    를 포함하고,

    상기 다이어프램부의 탄성 변형에 의해 생긴 상기 내부 공간의 용적 변화가 상기 내부 공간 내의 도전성 유체의 위치 변위(positional displacement)를 일으켜서, 상기 접점 사이에 도통 상태 또는 비도통 상태를 형성하며,

    상기 적층체의 상기 내부 공간은, 상기 다이어프램부가 면하고 상기 도전성 유체를 수용하도록 구성된 상기 유체 저장부, 상기 유체 저장부로부터 떨어져 있고 상기 도전성 유체를 수용하도록 형성된 제2 유체 저장부, 및 상기 유체 저장부와 상기 제2 유체 저장부를 연결하는 유체 채널을 포함하고;

    상기 둘 이상의 접점은, 상기 유체 저장부로부터 소정 범위 내에서 상기 유체 채널 내에 배치된 한 쌍의 접점, 및 상기 제2 유체 저장부로부터 소정 범위 내에서 상기 유체 채널 내에 배치된 다른 한 쌍의 접점을 포함하며;

    상기 다이어프램부를 탄성 변형시키는 상기 액추에이터의 동작 상태에서, 상기 유체 저장부로부터 공급되는 도전성 유체에 의해 상기 한 쌍의 접점 사이에 도통 상태가 형성되고, 상기 다른 한 쌍의 접점 사이에는 비도통 상태가 유지되며;

    상기 액추에이터의 휴지 상태에서, 상기 제2 유체 저장부로부터 공급되는 상기 도전성 유체에 의해 상기 다른 한 쌍의 접점 사이에 도통 상태가 형성되고, 상기 한 쌍의 접점 사이에는 비도통 상태가 유지되는,

    것을 특징으로 하는, 릴레이 장치.

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