KR101024324B1 - Ｒｆ ｍｅｍｓ 스위치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 RF MEMS 스위치에 관한 것으로, 반도체 또는 유전체 기판; 기판 상에 형성되며, 개회로를 형성하는 갭에 의해 2개로 분리된 신호 라인; 기판 상에 형성되며, 신호 라인과 일 방향으로 격리되어 위치된 하부 전극판; 하부 전극판에 대향되며 위쪽 방향으로 일정 간격 이격되어 위치된 상부 전극판; 기판 상에 형성되며, 전극판들과 일 방향으로 격리되어 위치된 지지대; 일 단부가 지지대에 부착되며, 신호 라인의 갭 부분에 대응되는 위치에 갭과 마주하도록 접점이 다른 단부에 구비된 구동빔; 및 구동빔은, 지지대로부터 연장되어 일정한 장력을 갖는 스프링부; 스프링부로부터 연장되어 하부 전극판과 상부 전극판 사이를 지나며, 접점이 구비된 몸체부; 및 스프링부와 몸체부 사이의 연결부분으로부터 연장되어 기판에 고정된 멈치부를 포함하여 구성되어, 별도의 유지 전압이나 유지 전류 없이 스위치의 온 또는 오프 상태를 그대로 유지할 수 있다.
RE, MEMS, 스위치

Description

ＲＦ ＭＥＭＳ 스위치{Radio frequency micro electro mechanical system switch}
도 1은 종래 RF MEMS 스위치의 개략적인 단면도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치의 평면도; 및
도 3은 도 2의 III - III' 선을 따라 절단한 RF MEMS 스위치의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 21: 기판 12, 22: 신호 라인
13, 23B: 하부 전극판 23T: 상부 전극판
14, 24: 지지대 15, 25: 구동빔
25S: 스프링부 25B: 몸체부
25M: 멈치부 16, 26: 접점
27: 갭
본 발명은 RF MEMS 스위치에 관한 것으로, 특히 별도의 유지 전압이나 유지 전류 없이 스위치의 온 또는 오프(ON or OFF) 상태를 그대로 유지할 수 있는 RF MEMS 스위치에 관한 것이다.
MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 이용한 RF(radio frequency) 소자 중 현재 가장 널리 제작되고 있는 것은 스위치(switch)이다. RF 스위치는 마이크로파나 밀리미터파 대역의 무선통신 단말기 및 시스템에서 신호의 선별 전송(single routing)이나 임피던스 정합 회로(impedance matching networks) 등에서 많이 응용되는 소자이다.
기존의 MMIC 회로(monolithic microwave integrated circuits)에서는 RF 스위치를 구현하기 위해서 주로 GaAs FET나 혹은 PIN diode 등을 주로 이용하고 있었다. 그러나 이와 같은 소자를 이용하여 스위치를 구현하였을 경우 온 상태에서 삽입 손실(insertion loss)이 크고, 오프 상태에서의 신호 분리 특성이 나쁜 단점이 있다.
이러한 단점을 개선하기 위하여 기계적 스위치에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔으며, 특히 최근 이동통신 단말기 시장의 폭발적인 증가에 따라 MEMS 스위치가 더욱 요구되고 있다.
도 1은 종래 RF MEMS 스위치의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(11) 상에 신호 라인(12), 하부 전극판(13) 및 지지대(14)가 형성된다. 신호 라인(12)은 개회로를 형성하는 갭(도시 안됨)에 의해 2개로 분리된다. 하부 전극판(13) 위를 지나며, 신호 라인(12)의 갭 부분에 대응되는 위치에 갭과 마주하도록 접점(16)이 구비된 구동빔(15)이 지지대(14)에 부착되어 형성된다.
상기한 종래 RF MEMS 스위치는 하부 전극판(13)에 전압이 인가되면 정전기력에 의해 구동빔(15)이 아래로 휘면서 접점(16)이 갭 부분의 신호 라인(12)에 접촉되며, 스위치가 온 상태가 된다. 역으로 하부 전극판(13)에 전압이 제거되면 구동빔(15)의 복원력에 의해 접점(16)이 원래의 위치로 올라가며, 스위치가 오프 상태가 된다. 이러한 구조에서는 온 상태를 계속 유지하기 위해서 하부 전극판(13)에 일정 전압을 계속 공급시켜 주어야하기 때문에 전력 손실이 유발되는 문제가 있을 뿐만 아니라, 하부 전극판(13)에 어떠한 전기적 결함이 발생되었을 경우에 스위치가 온 상태를 유지하지 못하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 별도의 유지 전압이나 유지 전류 없이 스위치의 온 또는 오프 상태를 그대로 유지할 수 있도록 하여 전력 손실을 최소화 할 수 있는 RF MEMS 스위치를 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치는 반도체 또는 유전체 기판; 기판 상에 형성되며, 개회로를 형성하는 갭에 의해 2개로 분리된 신호 라인; 기판 상에 형성되며, 신호 라인과 일 방향으로 격리되어 위치된 하부 전극판; 하부 전극판에 대향되며 위쪽 방향으로 일정 간격 이격되어 위치된 상부 전극판; 기판 상에 형성되며, 전극판들과 일 방향으로 격리되어 위치된 지지대; 일 단부가 지지대에 부착되며, 신호 라인의 갭 부분에 대응되는 위치에 갭과 마주하도록 접점이 다른 단부에 구비된 구동빔; 및 구동빔은, 지지대로부터 연장되어 일정한 장력을 갖는 스프링부; 스프링부로부터 연장되어 하부 전극판과 상부 전극판 사이를 지나며, 접점이 구비된 몸체부; 및 스프링부와 몸체부 사이의 연결부분으로부터 연장되어 기판에 고정된 멈치부를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소임을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치의 평면도이고, 도 3은 도 2의 III - III' 선을 따라 절단한 RF MEMS 스위치의 단면도이다.
도 2 및 3을 참조하면, 기판(21) 상에 신호 라인(22), 하부 전극판(23B), 상부 전극판(23T) 및 지지대(24)가 형성된다. 신호 라인(22)은 도 2에 도시된 바와 같이, 개회로를 형성하는 갭(27)에 의해 2개로 분리된다. 하부 전극판(23B) 및 상부 전극판(23T)은 신호 라인(22)과 일 방향으로 격리되어 위치되며, 상부 전극판(23T)은 하부 전극판(23)에 대향되며 위쪽 방향으로 일정 간격 이격되어 위치된다. 지지대(24)는 전극판들(23B 및 23T)과 일 방향으로 격리되어 위치된다. 구동빔(25)은 일 단부가 지지대(24)에 부착되며, 신호 라인(22)의 갭(27) 부분에 대응되는 위치에 갭(27)과 마주하도록 접점(26)이 다른 단부에 구비된다. 구동빔(25)은 지지대(24)로부터 연장되며 일정한 장력을 갖는 스프링부(25S), 스프링부(25S)로부터 연장되어 하부 전극판(23B)과 상부 전극판(23T) 사이를 지나며 접점(26)이 구비된 몸체부(25B), 및 스프링부(25S)와 몸체부(25B) 사이의 연결부로부터 연장되어 기판(21)에 고정된 멈치부(25M)가 일체화되어 이루어진다.
상기한 본 발명의 RF MEMS 스위치의 모든 구성 요소들은 마스킹, 에칭, 적층 및 리프트-오프를 포함하는 초소형 제조 기술을 사용하여 제조할 수 있다. 기판(21)은 반도체 또는 유전체 기판을 사용한다.
하부 전극판(23B)과 상부 전극판(23T)은 별개의 전압 공급원(도시 안됨)을 갖는다. 구동빔(25)의 요소인 스프링부(25S)는 지그재그 또는 권선 형태를 이루며 몸체부(25B)를 일정 장력으로 밀어 몸체부(25B)가 시이소 처럼 아래 또는 위로 기울어지게 한다. 이로 인하여 스위치 동작 전에도 몸체부(25B)가 아래 또는 위로 기울어져 접점(26)이 신호 라인(22)에 접촉되거나 떨어져 있는 상태가 된다. 멈치부(25M)는 스프링부(25S)의 장력에 구동빔(25) 전체가 밀리지 않게 하면서, 장력에 의해 스프링부(25S)가 휘어져 몸체부(25B)가 아래 또는 위로 기울어지게 하기 위하여 몸체부(25B)로부터 바깥쪽 양 방향으로 30 내지 60도의 각도, 바람직하게는 40 내지 50도의 각도, 가장 바람직하게는 45도의 각도로 장력에 대향하는 위치에 배치한다. 각도가 30도 이하가 되면 몸체부(25B)에 변위가 발생될 우려가 있어 접점 동작 불량을 초래할 수 있으며, 각도가 60도 이상이 되면 몸체부(25B)가 밀리게 되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 스프링부(25S)의 장력에는 저항하면서 비틀림을 가능하는 가장 바람직한 각도는 45도라 할 수 있다.
상기한 본 발명의 RF MEMS 스위치는 도 3에 실선으로 도시된 바와 같이 스프링부(25S)가 상부 전극(23T)쪽으로 휘어지고 스프링부(25S)의 장력에 저항하는 멈치부(25M)에 의해 몸체부(25B)가 아래로 기울어져 접점(26)이 갭(27) 부분의 신호 라인(22)에 접촉되어 있거나(동작시 스위치 온 상태), 역으로 도 3의 점선으로 도시된 바와 같이 스프링부(25S)가 하부 전극(23T)쪽으로 휘어지고 스프링부(25S)의 장력에 저항하는 멈치부(25M)에 의해 몸체부(25B)가 위로 기울어져 접점(26)이 갭(27) 부분의 신호 라인(22)으로부터 떨어져 있게된다(동작시 스위치 오프 상태). 이와 같이, 본 발명의 RF MEMS 스위치는 동작 전에도 접점(26)이 신호 라인(22)에 접촉되어 있거나 떨어져 있는 상태가 유지되는데, 이는 스프링부(25S)의 장력에 의한 것이다. 스프링부(25S)에 장력을 발생시키는 방법은 여러 가지가 있을 수 있는데, 예를 들어, 스프링부(25S), 몸체부(25B) 및 멈치부(25M)가 일체화된 구동빔(25)을 제조하고(이 시점에서는 스프링부에 장력이 없는 상태이기 때문에 구동빔은 기울어짐이 없음), 이후 스프링부(25S)에 질화 처리 등과 같이 표면 처리를 통해 스트레스를 발생시키므로 비로소 장력이 발생하게 된다(멈치부의 장력에 대한 저항으로 인해 구동빔은 아래 또는 위로 기울어지게 됨).
상기한 본 발명의 RF MEMS 스위치의 동작을 설명하면 다음과 같다. 상부 전극(23T)에 전압이 인가되면 정전기력에 의해 구동빔(25)이 위쪽으로 힘을 받게 되면서 스프링부(25S)가 위로 휘어지게 되고, 멈치부(25M)를 축으로 몸체부(25B)가 아래로 기울어져 접점(26)이 갭(27) 부분의 신호 라인(22)에 접촉되며, 스위치가 온 상태가 되고, 이후 상부 전극(23T)에 전압을 제거하더라도 스프링부(25S)의 장력에 의해 스위치 온 상태는 계속 유지된다. 역으로 하부 전극(23B)에 전압이 인가되면 정전기력에 의해 구동빔(25)이 아래쪽으로 힘을 받게 되면서 스프링부(25S)가 아래로 휘어지게 되고, 멈치부(25M)를 축으로 몸체부(25B)가 위로 기울어져 접점(26)이 갭(27) 부분의 신호 라인(22)으로부터 떨어지며, 스위치가 오프 상태가 되고, 이후 하부 전극(23B)에 전압을 제거하더라도 스프링부(25S)의 장력에 의해 스위치 오프 상태는 계속 유지된다. 이와 같이, 본 발명의 RF MEMS 스위치는 스위치 온 또는 스위치 오프 하기 위한 구동 순간만 전압을 인가하고 이후에는 전극(23T 또는 23B)에 전압을 인가하지 않더라도 원하는 상태(스위치 온 상태 또는 스위치 오프 상태)를 그대로 유지하는 구조이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 별도의 유지 전압이나 유지 전류 없이 스위치의 온 또는 오프 상태를 그대로 유지할 수 있어 소비 전력을 극소화 할 수 있다.

Claims (6)

  1. 반도체 또는 유전체 기판;
    상기 기판 상에 형성되며, 개회로를 형성하는 갭에 의해 2개로 분리된 신호 라인;
    상기 기판 상에 형성되며, 상기 신호 라인과 일 방향으로 격리되어 위치된 하부 전극판;
    상기 하부 전극판에 대향되며 위쪽 방향으로 일정 간격 이격되어 위치된 상부 전극판;
    상기 기판 상에 형성되며, 상기 전극판들과 일 방향으로 격리되어 위치된 지지대;
    일 단부가 상기 지지대에 부착되며, 상기 신호 라인의 갭 부분에 대응되는 위치에 상기 갭과 마주하도록 접점이 다른 단부에 구비된 구동빔; 및
    상기 구동빔은,
    상기 지지대로부터 연장되어 일정한 장력을 갖는 스프링부;
    상기 스프링부로부터 연장되어 상기 하부 전극판과 상기 상부 전극판 사이를 지나며, 상기 접점이 구비된 몸체부; 및
    상기 스프링부와 상기 몸체부 사이의 연결부분으로부터 연장되어 상기 기판에 고정된 멈치부;를 포함하며,
    상기 멈치부는 상기 스프링부의 장력에 상기 구동빔 전체가 밀리지 않게 하면서, 장력에 의해 상기 몸체부가 휘어지게 하기 위하여 상기 몸체부로부터 바깥쪽 양 방향으로 30 내지 60도의 각도로 장력에 대향하는 위치에 배치되는 RF MEMS 스위치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 전극판과 상기 상부 전극판은 별개의 전압 공급원을 갖는 RF MEMS 스위치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링부는 지그재그 또는 권선 형태를 이루며, 상기 몸체부를 일정 장력으로 밀어 상기 멈치부를 축으로 상기 몸체부가 아래 또는 위로 기울어지게 하는 RF MEMS 스위치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 전극에 구동 순간만 전압이 인가되면 상기 구동빔이 위로 휘면서 상기 접점이 상기 갭 부분의 신호 라인에 접촉되어 스위치가 온 상태를 유지하는 RF MEMS 스위치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 전극에 구동 순간만 전압이 인가되면 상기 구동빔이 아래로 휘면서 상기 접점이 상기 갭 부분의 신호 라인으로부터 떨어져 스위치가 오프 상태를 유지하는 RF MEMS 스위치.
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