KR20050020965A - Spring loaded bi-stable mems switch - Google Patents
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Abstract
기판 및 탄성 스위칭 부재를 포함하는 MEMS 스위치 조립체가 제공된다. 탄성 스위칭 부재는 가요성 부분을 갖는 횡단 비틀림 부재와, 이 비틀림 부재의 가요성 부분으로부터 연장하는 판 스프링 및 캔틸레버를 포함한다. 스위칭 조립체는 비틀림 부재를 안정한 구조체에 장착하는 제1 고정 부재 및 판 스프링을 안정한 구조체에 장착하는 제2 고정 부재를 추가로 포함한다. 이 방식으로, 판 스프링은 캔틸레버 단부를 각각의 대향 방향으로 편향시키도록 대향 방향으로 교대로 굴곡될 수 있는 가요성 부분을 제1 및 제2 고정구 사이에 갖는다. 판 스프링은 대향 방향 중 하나로 굴곡될 때 제1 안정 형상(예로써 볼록 형상)을 나타낼 수 있고, 대향 방향 중 나머지로 굴곡될 때 제2 안정 형상(예로써, 오목 형상)을 나타낼 수 있다. 따라서, 스위치는 순간적 힘을 사용하여 2개 안정 상태 사이에서 스위칭될 수 있으며, 부가적인 에너지 소비 없이 이들 2개 안정 상태를 유지할 수 있다. 캔틸레버는 판 스프링의 것 보다 큰 거리, 예로써, 2배 이상 큰 거리로 편향한다. 따라서, 이 경우에, 스위칭 부재의 고유한 형상이 기계적 증폭기로서 작용하며, 적당한 작동 치수를 유지하면서 캔틸레버 단부의 큰 이동 거리를 가능하게 한다. 스위칭 조립체는 다양한 스위칭 방법 중 소정의 하나를 달성하도록 설계될 수 있다. 예로써, 스위칭 조립체는 싱글 폴 더블 쓰로(SPDT) 스위치로서 배열되거나, 싱글 폴 싱글 쓰로(SPST) 스위치로서 배열될 수 있으며, 싱글 폴 더블 쓰로 스위치의 경우, 캔틸레버는 공통 단자와 2개 선택된 단자 중 하나 사이에 전기 접점을 형성할 수 있고, 싱글 폴 싱글 쓰로 스위치의 경우, 캔틸레버는 2개 단자를 교대로 전기 접속 및 분리할 수 있다.A MEMS switch assembly is provided that includes a substrate and an elastic switching member. The elastic switching member includes a transverse torsional member having a flexible portion, and a leaf spring and cantilever extending from the flexible portion of the torsional member. The switching assembly further includes a first fixing member for mounting the torsion member to the stable structure and a second fixing member for mounting the leaf spring to the stable structure. In this way, the leaf spring has a flexible portion between the first and second fasteners that can be bent alternately in opposite directions to deflect the cantilever end in each opposite direction. The leaf spring can exhibit a first stable shape (eg a convex shape) when bent in one of the opposite directions and a second stable shape (eg a concave shape) when it is bent in the other of the opposite directions. Thus, the switch can be switched between two stable states using instantaneous forces and can maintain these two stable states without additional energy consumption. The cantilever deflects at a greater distance than that of the leaf spring, for example at least twice as large. Thus, in this case, the inherent shape of the switching member acts as a mechanical amplifier, enabling a large travel distance of the cantilever end while maintaining proper operating dimensions. The switching assembly can be designed to achieve any one of a variety of switching methods. By way of example, the switching assembly may be arranged as a single pole double throw (SPDT) switch or as a single pole single throw (SPST) switch, in the case of a single pole double throw switch, the cantilever is one of the common terminal and the two selected terminals. Electrical contacts can be formed between one, and in the case of a single pole single throw switch, the cantilever can alternately connect and disconnect two terminals.
Description
본 발명은 개괄적으로 스위칭 장치, 보다 구체적으로, 쌍안정 스위치에 관련한다.The invention relates generally to a switching device, more particularly to a bistable switch.
극소-전자-기계 시스템(MEMS) 장치는 통신, 감지, 광학, 극소-유체공학 및 재료 특성의 측정 같은 다양한 분야에서 응용된다. 통신 분야에서, MEMS 라디오 주파수(RF) 스위치는 고상 스위치(solid state switch)에 비해 보다 선형적 응답 및 보다 높은 품질(Q 인자)을 포함하는 다수의 장점을 제공한다. 전형적인 MEMS 스위치는 원하는 위치 중 적어도 하나에 스위칭 조립체를 유지하기 위해 일정한 정전기력 또는 자기력의 인가를 필요로 한다. 이는 전력의 비효율적 사용을 초래하며, 전력의 보전이 바람직한 응용분야, 예로써, 이동 무선 전화에 불리할 수 있다.Micro-electro-mechanical system (MEMS) devices find applications in a variety of applications such as communication, sensing, optics, micro-fluidics and measurement of material properties. In the field of communications, MEMS radio frequency (RF) switches offer a number of advantages over solid state switches, including more linear response and higher quality (Q factor). Typical MEMS switches require the application of a constant electrostatic or magnetic force to maintain the switching assembly in at least one of the desired positions. This results in an inefficient use of power and can be disadvantageous for applications where power conservation is desirable, for example mobile radiotelephones.
따라서, 소정의 현존 상태에서 전력을 보전할 수 있는 기능을 갖는 신뢰성있는 쌍안정 MEMS RF 스위치에 대한 필요성이 남아 있다.Thus, there remains a need for a reliable bistable MEMS RF switch with the ability to conserve power in certain existing states.
도1은 스위칭 조립체가 특히 업-상태로 도시되어 있는, 본 발명의 일 양호한 실시예에 따라 구성된 싱글 폴 듀얼 쓰로 MEMS RF 스위칭 조립체의 부분 절개된 사시도이다.1 is a partially cut away perspective view of a single pole dual throw MEMS RF switching assembly constructed in accordance with one preferred embodiment of the present invention, in which the switching assembly is shown in an up-state, in particular.
도2는 스위칭 조립체가 특히 다운-상태로 도시되어 있는, 도1의 스위칭 조립체의 부분 절개된 사시도이다.FIG. 2 is a partially cut away perspective view of the switching assembly of FIG. 1, with the switching assembly shown in a down-state, in particular.
도3은 스위칭 조립체가 업-상태일 때, 도1의 스위칭 조립체에 사용되는 스위칭 부재의 확대도이다.3 is an enlarged view of the switching member used in the switching assembly of FIG. 1 when the switching assembly is in an up-state.
도4는 스위칭 조립체가 다운-상태일 때, 도1의 스위칭 조립체에 사용되는 스위칭 부재의 확대도이다. 4 is an enlarged view of the switching member used in the switching assembly of FIG. 1 when the switching assembly is in the down-state.
도5는 도1의 스위칭 조립체의 저부 칩 및 연계된 구성요소의 제조를 위한 예시적 공정 흐름 동안 형성된 중간 구조체의 평면도이다.5 is a plan view of an intermediate structure formed during an exemplary process flow for the manufacture of the bottom chip and associated components of the switching assembly of FIG.
도6은 도5에 예시된 대응 중간 구조체의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of the corresponding intermediate structure illustrated in FIG.
도7은 도1의 스위칭 조립체의 상단 칩 및 연계된 구성요소를 제조하기 위한 예시적 공정 흐름 동안 형성된 중간 구조체의 평면도이다.7 is a top view of an intermediate structure formed during an exemplary process flow for manufacturing the top chip and associated components of the switching assembly of FIG.
도8은 도7에 예시된 대응 중간 구조체의 단면도이다. 8 is a cross-sectional view of the corresponding intermediate structure illustrated in FIG.
도9는 상단 칩이 저부 칩에 장착된 이후, 도1의 완전히 조립된 스위칭 조립체의 측면도이다.9 is a side view of the fully assembled switching assembly of FIG. 1 after the top chip is mounted to the bottom chip.
도10은 대안적인 자기 작동기 배열체를 구체적으로 도시하는 도1의 스위칭 조립체의 부분 절개된 사시도이다.FIG. 10 is a partially cut away perspective view of the switching assembly of FIG. 1 specifically showing an alternative magnetic actuator arrangement. FIG.
도11은 다른 대안적인 자기 작동기 배열체를 구체적으로 도시하는 도1의 스위칭 조립체의 부분 절개된 사시도이다.FIG. 11 is a partially cut away perspective view of the switching assembly of FIG. 1 specifically showing another alternative magnetic actuator arrangement. FIG.
도12는 스위칭 조립체가 특히 업 상태로 도시되어 있는, 본 발명의 다른 양호한 실시예에 따라 구성된 싱글 폴 싱글 쓰로 MEMS RF 스위칭 조립체를 도시한 도면이다.12 illustrates a single pole single throw MEMS RF switching assembly constructed in accordance with another preferred embodiment of the present invention, with the switching assembly shown in an up state, in particular.
도13은 스위칭 조립체가 특히 다운 상태로 도시되어 있는, 도12의 스위칭 조립체의 부분 절개된 사시도이다.FIG. 13 is a partially cut away perspective view of the switching assembly of FIG. 12 with the switching assembly shown in a particularly down state.
도14는 스위칭 조립체가 특히 업 상태로 도시되어 있는, 본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 따라 구성된 다른 싱글 폴 싱글 쓰로 MEMS RF 스위칭 조립체를 도시한 도면이다.Figure 14 illustrates another single pole single throw MEMS RF switching assembly constructed in accordance with another preferred embodiment of the present invention, with the switching assembly shown in an up state, in particular.
도15는 스위칭 조립체가 특히 다운 상태로 도시되어 있는, 도14의 스위칭 조립체의 부분 절개된 사시도이다.FIG. 15 is a partially cut away perspective view of the switching assembly of FIG. 14 with the switching assembly shown in a down state.
본 발명은 예로써 기판 같은 안정한 구조체와 안정한 구조체에 장착된 탄성 스위칭 부재를 포함하는 스위치 조립체에 관련한다. 탄성 스위칭 부재는 가요성 부분을 갖는 횡단 비틀림 부재와, 횡단 비틀림 부재의 가요성 부분으로부터 연장하는 판 스프링(들) 및 캔틸레버를 포함한다. 스위칭 조립체는 비틀림 부재를 안정한 구조체에 장착하는 제1 고정 부재와, 판 스프링을 안정한 구조체에 장착하는 제2 고정 부재를 추가로 포함한다. 이 방식으로, 판 스프링은 캔틸레버 단부를 각각의 대향 방향으로 편향시키도록 대향 방향으로 교대로 굴곡될 수 있는, 제1 및 제2 고정구 사이의 가요성 부분을 갖는다. 양호한 실시예에서, 스위치 조립체는 극소 전자-기계 시스템(MEMS) 스위치이다. 그러나, 본 발명은 MEMS 스위치에 제한되지 않으며, 다른 유형의 기계적 스위치도 마찬가지로 고려한다. The present invention relates to a switch assembly comprising, for example, a stable structure such as a substrate and an elastic switching member mounted to the stable structure. The resilient switching member includes a transverse torsional member having a flexible portion, and leaf spring (s) and cantilevers extending from the flexible portion of the transverse torsional member. The switching assembly further includes a first fixing member for mounting the torsional member to the stable structure, and a second fixing member for mounting the leaf spring to the stable structure. In this way, the leaf spring has a flexible portion between the first and second fasteners, which can be bent alternately in opposite directions to deflect the cantilever ends in their respective opposite directions. In a preferred embodiment, the switch assembly is a microelectromechanical system (MEMS) switch. However, the present invention is not limited to MEMS switches, and other types of mechanical switches are also considered as well.
비제한적 예로써, 판 스프링은 대향 방향 중 하나로 굴곡될 때, 제1 안정 형상을, 그리고, 대향 방향 중 나머지로 굴곡될 때, 제2 안정 형상을 나타낼 수 있다. 이 경우에, 판 스프3링은 판 스프링을 안정한 형상으로 유지하는 응력 구배를 가질 수 있다. 형상은 소정의 형상일 수 있지만, 양호한 실시예에서, 판 스프링의 제1 굴곡 모드에 대응하고, 스위칭 부재에 대한 양호한 응답성을 유리하게 제공하는 오목 및 볼록 형상이 사용된다. 따라서, 스위치는 순간적 힘을 사용하여 2개 안정 상태 사이에서 스위칭될 수 있으며, 추가 에너지 소비 없이 이들 2개 안정 상태를 유지할 수 있다. 양호한 실시예에서, 캔틸레버의 자유 단부는 판 스프링의 최대 변위의 거리 보다 큰 거리, 예로써, 2배 이상 큰 거리로 편향한다. 따라서, 이 경우, 스위칭 부재의 고유 형상은 기계적 증폭기로서 작용하며, 적당한 작동 치수를 유지하면서, 캔틸레버 단부의 큰 이동 거리를 가능하게 한다. By way of non-limiting example, the leaf spring can exhibit a first stable shape when bent in one of the opposite directions, and a second stable shape when bent in the other of the opposite directions. In this case, the leaf springs may have a stress gradient that keeps the leaf springs in a stable shape. The shape may be any shape, but in a preferred embodiment, concave and convex shapes are used which correspond to the first bending mode of the leaf spring and which advantageously provide good response to the switching member. Thus, the switch can be switched between two stable states using instantaneous forces, and can maintain these two stable states without additional energy consumption. In a preferred embodiment, the free end of the cantilever deflects at a distance greater than the distance of the maximum displacement of the leaf spring, for example at least two times greater. Thus, in this case, the inherent shape of the switching member acts as a mechanical amplifier and allows for a large travel distance of the cantilever end while maintaining proper operating dimensions.
양호한 실시예에서, 스위칭 부재는 평면 막으로 형성되며, 이는 보다 쉬운 제조성 및 응답성의 구조체를 제공하여 유리하다. 스위칭 부재는 비틀림 부재의 가요성 부분으로부터 연장하는 다른 판 스프링을 추가로 포함할 수 있으며, 그래서, 제1 및 제2 판 스프링이 중앙 캔틸레버에 가교할 수 있다. 이 방식에서, 제2 판 스프링은 스위칭 부재에 대해 보다 큰 응답성을 제공한다. 판 스프링(전기 도전성인 경우)에 의해 유발될 수 있는 전기적 간섭을 최소화하기 위해, 캔틸레버의 자유 단부가 접촉하게 되는 소정의 전기 단자가 전기적으로 활성 상태인 스프링으로부터 충분한 거리로 이격배치되도록 캔틸레버는 비틀림 부재의 가요성 부분으로부터 판 스프링 보다 큰 거리로 연장한다. In a preferred embodiment, the switching member is formed of a planar film, which is advantageous by providing an easier manufacturability and response structure. The switching member may further comprise another leaf spring extending from the flexible portion of the torsion member, so that the first and second leaf springs can bridge the central cantilever. In this way, the second leaf spring provides greater response to the switching member. To minimize electrical interference that may be caused by the leaf springs (if electrically conductive), the cantilever is twisted so that any electrical terminal to which the free end of the cantilever comes into contact is spaced a sufficient distance away from the electrically active spring. Extends a greater distance than the leaf spring from the flexible portion of the member.
스위칭 조립체는 다양한 스위칭 방법 중 소정의 것을 달성하도록 설계될 수 있다. 예로써, 스위칭 조립체는 싱글 폴 더블 쓰로(SPDT)로서 배열될 수 있고, 이 경우, 스위칭 조립체는 캔틸레버(전기 도전성)에 영구적으로 전기 접속된 공통 전기 단자, 캔틸레버가 대향 방향 중 하나로 편향될 때에만 캔틸레버에 전기 접속되는 제1 전기 단자 및 캔틸레버가 대향 방향 중 나머지로 편향될 때에만 캔틸레버에 전기 접속되는 제2 전기 단자를 포함한다. 이 경우, 제1 고정구는 공통 전기 단자에 전기 접속되고, 그에 장착되어, 캔틸레버로의 전기적 경로를 제공할 수 있다. 이 방식으로, 공통 단자는 고정구 및 캔틸레버를 경유하여 선택된 제1 및 제2 단자 중 하나에 전기 접속된다. The switching assembly can be designed to achieve any of a variety of switching methods. By way of example, the switching assembly may be arranged as a single pole double throw (SPDT), in which case the switching assembly is only when the common electrical terminal, cantilever, which is permanently electrically connected to the cantilever (electrically conductive) is deflected in one of the opposite directions. And a first electrical terminal electrically connected to the cantilever and a second electrical terminal electrically connected to the cantilever only when the cantilever is deflected to the other of the opposite directions. In this case, the first fastener may be electrically connected to and mounted to a common electrical terminal to provide an electrical path to the cantilever. In this way, the common terminal is electrically connected to one of the selected first and second terminals via the fixture and the cantilever.
다른 실시예로써, 스위칭 조립체는 싱글 폴 싱글 쓰로(SPST) 스위치로서 배열될 수 있다. 이 경우, 스위칭 조립체는 캔틸레버(전기 도전성임)에 영구적으로 전기 접속된 제1 전기 단자 및 캔틸레버가 대향 방향 중 하나로 편향될 때에만 캔틸레버에 전기 접속되는 제2 전기 단자를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 고정구는 제1 단자에 전기 접속되고 장착되어 캔틸레버로의 전기적 경로를 제공할 수 있다. 이 방식으로, 제1 단자는 제2 단자에 선택적으로 전기 접속된다. SPST 스위칭 방법을 사용시, 스위칭 조립체는 대안적으로, 캔틸레버가 대향 방향 중 하나로 편향될 때에만 양자 모두가 캔틸레버에 전기 접속되는 제1 및 제2 전기 단자를 포함할 수 있다. 이 경우, 캔틸레버는 캔틸레버가 하나의 대향 방향으로 편향될 때 제1 및 제2 전기 단자를 단락시키는 단락 바아를 포함할 수 있다. 이 경우, 단락 바아를 제외한 스위칭 부재는 전기적 간섭을 최소화하도록 절연 재료로 구성될 수 있다. In another embodiment, the switching assembly may be arranged as a single pole single throw (SPST) switch. In this case, the switching assembly may comprise a first electrical terminal permanently electrically connected to the cantilever (which is electrically conductive) and a second electrical terminal which is electrically connected to the cantilever only when the cantilever is deflected in one of the opposite directions. In this case, the first fastener may be electrically connected and mounted to the first terminal to provide an electrical path to the cantilever. In this way, the first terminal is selectively electrically connected to the second terminal. When using the SPST switching method, the switching assembly may alternatively include first and second electrical terminals, both of which are electrically connected to the cantilever only when the cantilever is deflected in one of the opposite directions. In this case, the cantilever may include a shorting bar that shorts the first and second electrical terminals when the cantilever is deflected in one opposite direction. In this case, the switching member except for the shorting bar may be made of an insulating material to minimize electrical interference.
양호한 실시예에서, 스위칭 조립체는 대향한 제1 및 제 2 방향으로 판 스프링을 교대로 굴곡시키도록 동작하도록 판 스프링에 연결된 작동기를 포함한다. 비제한적인 예로써, 판 스프링은 자기적으로, 정전기적으로, 압전적으로 또는 열적으로 작동될 수 있다. 양호한 실시예에서, 비교적 큰 변위가 수반되기 때문에, 자기 작동기가 사용된다. 예로써, 자기 작동기는 자기장 코일과 하나 이상의 철 함유 요소를 포함할 수 있다. 자기장 코일은 판 스프링에 고착될 수 있으며, 이 경우, 판 스프링이 제1 극성을 가지는 전류가 자기장 코일을 통해 흐를 때 하나 이상의 철 함유 요소를 향해 굴곡되고, 제2 극성을 가지는 전류가 자기장 코일을 통해 흐를 때 하나 이상의 철 함유 요소로부터 멀어지는 방향으로 굴곡되도록, 하나 이상의 철 함유 요소가 자기장 코일로부터 소정 거리에 배치될 수 있다. 또는, 하나 이상의 철 함유 요소가 판 스프링에 고착될 수 있으며, 이 경우, 판 스프링이 제1 극성을 가지는 전류가 자기장 코일을 통해 흐를 때 하나 이상의 철 함유 요소를 향해 굴곡되고, 제2 극성을 가지는 전류가 자기장 코일을 통해 흐를 때 하나 이상의 철 함유 요소로부터 멀어지는 방향으로 굴곡되도록 자기장 코일이 자기장 코일로부터 소정 거리에 배치될 수 있다. In a preferred embodiment, the switching assembly comprises an actuator connected to the leaf spring to operate to alternately bend the leaf spring in opposite first and second directions. By way of non-limiting example, the leaf spring can be operated magnetically, electrostatically, piezoelectrically or thermally. In a preferred embodiment, magnetic actuators are used because they involve relatively large displacements. By way of example, the magnetic actuator may comprise a magnetic field coil and one or more iron containing elements. The magnetic field coils may be attached to the leaf springs, in which case the leaf springs bend toward one or more iron-containing elements when a current having a first polarity flows through the magnetic field coil, and a current having a second polarity causes the magnetic field coil to One or more iron-containing elements may be disposed at a distance from the magnetic field coils so as to bend in a direction away from the one or more iron-containing elements as they flow through. Alternatively, one or more iron-containing elements may be attached to the leaf springs, in which case the leaf springs are bent toward the one or more iron-containing elements when a current having a first polarity flows through the magnetic field coil and has a second polarity. The magnetic field coil may be disposed at a distance from the magnetic field coil so that the electric current bends in a direction away from the one or more iron-containing elements as the current flows through the magnetic field coil.
도면은 유사한 요소가 공통 참조 번호로 지칭되어 있는 본 발명의 양호한 실시예의 디자인 및 활용예를 예시한다. 본 발명의 상술한 바 및 다른 장점과 목적이 달성되는 방식을 보다 양호하게 이해하기 위하여, 상술된 본 발명의 보다 구체적인 설명이 첨부 도면에 예시된 그 특정 실시예를 참조로 제공된다. 이들 도면은 단지 본 발명의 전형적인 실시예를 예시하는 것이며, 따라서, 그 범주를 제한하는 의미로 고려되지 않는다는 이해하에, 첨부 도면을 사용하여 본 발명을 보다 구체적이고 상세히 기술 및 설명한다. The drawings illustrate the design and use of preferred embodiments of the present invention in which like elements are referred to by common reference numerals. BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS To better understand the foregoing and other advantages and objects of the invention, a more detailed description of the invention described above is provided with reference to the specific embodiments illustrated in the accompanying drawings. These drawings are only illustrative of exemplary embodiments of the present invention and, therefore, the present invention will be described and described in more detail and detail using the accompanying drawings in the understanding that they are not to be considered in a limiting sense.
개괄적으로 도1 및 도2를 참조하여, 본 발명의 일 양호한 실시예에 따라 구성된 스프링 작동식 쌍안정 극소-전자-기계 시스템(MEMS) 라디오 주파수(RF) 스위칭 조립체를 설명한다. 스위칭 조립체(100)는 인가된 외력이 이를 다른 안정 상태로 변화시킬 때까지 한가지 안정한 상태로 "쇄정(locked)"되어 유지되고, 이 다른 안정 상태에서 다른 외력의 작용시까지 다시 쇄정되게 되는 쌍안정성이다. 따라서, 스위칭 조립체(100)는 소정의 그 안정 상태 또는 위치로 잔류하기 위해 어떠한 외력도 필요로 하지 않는다. 안정 위치로부터 다른 안정 위치로 스위칭하기 위해 순간적인 힘을 필요로 할 뿐이다.1 and 2, a spring-operated bistable micro-electro-mechanical system (MEMS) radio frequency (RF) switching assembly constructed in accordance with one preferred embodiment of the present invention is described. The switching assembly 100 is " locked " in one stable state until the applied external force changes it to another stable state, and the bistable stability is re-locked until the action of another external force in this other stable state. to be. Thus, the switching assembly 100 does not require any external force to remain in its stable state or position. It only requires a momentary force to switch from the stable position to another stable position.
스위칭 조립체(100)는 각 칩상에 배치된 전기적으로 격리된 회로 사이의 공통 RF 신호를 스위칭할 수 있는 기계 래칭식 2-칩 스위치(mechanically lacking two-chip switch)로서 구성되는 싱글 폴 듀얼 쓰로(SPDT; single-pole-double-throw) 스위치로서 특성화될 수 있다. 이에 관하여, 스위칭 조립체(100)는 일반적으로 저부 칩(102), 상단 칩(104), 저부 칩(102)에 고정된 탄성 평면 스위칭 부재(106) 및 작동기(108)를 포함하고, 작동기는 상단 칩(104)의 회로에 공통 신호를 결부시키는 '업' 상태(도1) 및 저부 칩(102)의 회로에 공통 신호를 결부시키는 '다운' 상태(도2)로 스위칭 조립체(100)를 배치하도록 동작할 수 있도록 스위칭 부재(106)에 연결되어 있다. 저부 및 상단 칩(102 및 104)은 스탠드오프(미도시)를 경유하여 서로에 장착된다.Switching assembly 100 is a single pole dual throw (SPDT) configured as a mechanically latching two-chip switch capable of switching a common RF signal between electrically isolated circuits disposed on each chip. ; single-pole-double-throw) switch. In this regard, the switching assembly 100 generally includes a bottom chip 102, a top chip 104, an elastic planar switching member 106 and an actuator 108 fixed to the bottom chip 102, the actuator being top Placing the switching assembly 100 into an 'up' state (FIG. 1) connecting the common signal to the circuit of the chip 104 and a 'down' state (FIG. 2) connecting the common signal to the circuit of the bottom chip 102. Is connected to the switching member 106 to operate. The bottom and top chips 102 and 104 are mounted to each other via standoffs (not shown).
저부 칩(102)은 기판(110)을 포함하며, 이는 예시된 실시예에서 산화 알루미늄(Al2O3) 같은 적절한 재료로 구성되어 있다. 실리콘, 세라믹, 폴리머, 유리나 비화 갈륨 같은 반도체 재료 등의 다른 기판 재료가 사용될 수 있다. 저부 칩(102)은 저부 칩(102)에 RF 전력 및 신호 도전 기능을 제공하도록 기판상에 배치된 공통 평면 도파체(CPW)(112)의 형태의 전기 회로를 추가로 포함한다. CPW(112)는 금 또는 은 같은 양호한 RF 특성을 가지는 적절한 도전성의 재료로 구성된다. 대안적으로, CPW(112)는 예로써, MgO 기판상의 박막 고온 초전도체 재료(HTS) 재료로 이루어질 수 있다. 박막 HTS 재료는 이제 일상적으로 제조되며 상업적으로 입수할 수 있다. 예로써, 미국 특허 제5,476,836호, 제5,508,255호, 제5,843,870호 및 제5,883,050호를 참조한다. 또한, 예로써, B. Roas, L. Schultz 및 G. Endres의 "레이저 증발 프로세스에 의한 YBa2Cu307-x 박막의 에피텍셜 성장(Epitaxial growth of YBa2Cu307-x thin film by laser evaporation process)(Appl. Phys. Lett. 53, 1557(1988))" 및 H. Maeda, Y. Tanaka, M. Fukotomi 및 T. Asano의 "희토류 원소가 없는 신규한 고-Tc 산화물 초전도체(A New High-Tc Oxide Superconductor without a Rare Earth Element)(Jpn. J. Appl. Phys. 27, L209(1988))"를 참조한다. 저부 칩(102)은 공통 RF 입력 단자(114) 및 저부 RF 출력 단자(116)를 추가로 포함하며, 이 공통 RF 입력 단자로부터 RF 신호가 저부 및 상단 칩(102 및 104) 사이에서 스위칭되고, 저부 RF 출력 단자는 스위칭 조립체(100)가 다운 상태(도2 참조)로 배치될 때, 공통 RF 입력 단자(114)와 전기 도전하도록 배치된다.The bottom chip 102 includes a substrate 110, which is composed of a suitable material such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) in the illustrated embodiment. Other substrate materials may be used, such as silicon, ceramics, polymers, semiconductor materials such as glass or gallium arsenide. The bottom chip 102 further includes an electrical circuit in the form of a common planar waveguide (CPW) 112 disposed on a substrate to provide RF power and signal conduction functionality to the bottom chip 102. CPW 112 is composed of a suitable conductive material having good RF properties such as gold or silver. Alternatively, CPW 112 may be made of, for example, a thin film high temperature superconductor material (HTS) material on an MgO substrate. Thin film HTS materials are now routinely made and commercially available. See, for example, US Pat. Nos. 5,476,836, 5,508,255, 5,843,870, and 5,883,050. See also, for example, B. Roas, L. Schultz and G. Endres, "Epitaxial growth of YBa2Cu307-x thin film by laser evaporation process (Appl. Phys. Lett. 53, 1557 (1988)) and "A New High-Tc Oxide Superconductor without a Rare" by H. Maeda, Y. Tanaka, M. Fukotomi and T. Asano. Earth Element) (Jpn. J. Appl. Phys. 27, L209 (1988)). The bottom chip 102 further includes a common RF input terminal 114 and a bottom RF output terminal 116 from which the RF signal is switched between the bottom and top chips 102 and 104, The bottom RF output terminal is arranged to electrically conduct with the common RF input terminal 114 when the switching assembly 100 is placed in the down state (see FIG. 2).
상단 칩(104)은 기판(118)을 포함하며, 이는 저부 기판(110) 같이 산화 알루미늄 같은 적절한 재료로 구성된다. 상단 칩(104)은 상단 칩(104)에 RF 전력 및 신호 전달 기능을 제공하도록 기판(118)상에 배치된 CPW(120) 형태의 전기 회로를 추가로 포함한다. CPW(120)는 금 또는 은 같은 적절한 도전성 재료 또는 대안적으로, HTS 재료로 구성된다. 상단 칩(104)은 스위칭 조립체(100)가 업 상태(도1 참조)로 배치될 때, 공통 입력 단자(114)와 전기 도전하도록 배치되는 상단 RF 출력 단자를 추가로 포함한다. The top chip 104 includes a substrate 118, which is made of a suitable material, such as aluminum oxide, such as the bottom substrate 110. The top chip 104 further includes an electrical circuit in the form of a CPW 120 disposed on the substrate 118 to provide RF power and signal transfer functionality to the top chip 104. CPW 120 is composed of a suitable conductive material such as gold or silver or, alternatively, HTS material. The top chip 104 further includes a top RF output terminal disposed to electrically conduct with the common input terminal 114 when the switching assembly 100 is placed in the up state (see FIG. 1).
스위칭 부재(106)는 횡단 비틀림 부재(124), 횡단 비틀림 부재(124)의 단부로부터 연장하는 중앙 캔틸레버(126) 및 횡단 비틀림 부재(124)의 단부로부터 연장하면서 캔틸레버(126)를 가교(straddling)하는 한 쌍의 판 스프링을 포함한다. 중앙 캔틸레버는 자유 단부(130)를 포함하고, 이 자유 단부는 보다 상세히 후술될 바와 같이, 저부 및 상단 단자(116 및 122)에 교대로 연결되는 한 쌍의 대향 접점(132)을 포함한다. 스위칭 부재(106)는 높은 전기 도전성, 낮은 손실, 용이한 증착 및 양호한 가요성을 특징으로 하는 금속으로 구성된다. 금속 층을 위한 적절한 금속은 금 및 은을 비제한적으로 포함한다. The switching member 106 straightens the cantilever 126 while extending from the end of the transverse torsion member 124, the end of the transverse torsion member 124, and the central cantilever 126. It includes a pair of leaf springs. The central cantilever includes a free end 130, which includes a pair of opposing contacts 132 alternately connected to the bottom and top terminals 116 and 122, as will be described in more detail below. The switching member 106 is composed of a metal which is characterized by high electrical conductivity, low loss, easy deposition and good flexibility. Suitable metals for the metal layer include, but are not limited to, gold and silver.
따라서, 중앙 캔틸레버(126)는 각각 업 또는 다운 중 어느 한쪽으로 스프링(128)을 굴곡시킴으로써 "업-상태" 또는 "다운-상태"로 배치될 수 있는 리드(reed)로서 작용한다. 구체적으로, 스프링(128)이 상향 굴곡될 때, 캔틸레버(126)의 기부의 비틀림 부재(124)의 굴곡부(130)는 상향 경사지고, 이는 순차적으로 캔틸레버(126)를 상향 회전시킨다(도3에 가장 잘 도시됨). 스프링(128)이 하향 굴곡될 때, 캔틸레버(126)의 기부의 비틀림 부재(124)의 굴곡부(130)는 하향 경사지고, 이는 순차적으로, 캔틸레버(126)를 하향 회전시킨다(도4에 가장 잘 도시됨).Thus, the central cantilever 126 acts as a lead that can be placed in an "up-state" or "down-state" by bending the spring 128 to either up or down, respectively. Specifically, when the spring 128 is bent upward, the bend 130 of the torsional member 124 at the base of the cantilever 126 is inclined upward, which in turn rotates the cantilever 126 upward (Fig. 3). Best shown). When the spring 128 is bent downward, the bend 130 of the torsion member 124 at the base of the cantilever 126 is inclined downward, which in turn rotates the cantilever 126 downward (best in FIG. 4). Shown).
스프링(128)은 이동이 이루어지고 나면 캔틸레버(126)를 그 위치에 쇄정한다. 구체적으로, 상단 칩(104)으로부터 볼 때, 스프링(128)은 상향 굴곡시 안정한 볼록 형상(도1)을, 그리고, 하향 굴곡시 안정한 오목 형상(도2)을 나타낼 수 있다. 따라서, 스프링(128)이 볼록 형상을 취하도록 상향 굴곡되고 나면, 캔틸레버(126)는 다운 상태로부터 업 상태로 스위치하고, 스프링(128)이 하향 굴곡될 때까지 업 상태에서 유지된다. 유사하게, 스프링(128)이 오목 형상을 취하도록 하향 굴곡되고 나면, 캔틸레버(126)는 업 상태로부터 다운 상태로 스위치하고, 스프링(128)이 상향 굴곡될 때까지 다운 상태로 유지된다.The spring 128 locks the cantilever 126 in its position after the movement is made. Specifically, when viewed from the top chip 104, the spring 128 may exhibit a stable convex shape (Fig. 1) when bending upward, and a concave shape (Fig. 2) stable when downward bending. Thus, after the spring 128 is bent upward to take a convex shape, the cantilever 126 switches from the down state to the up state and remains in the up state until the spring 128 is bent downward. Similarly, after the spring 128 is bent downward to take a concave shape, the cantilever 126 switches from the up state to the down state and remains down until the spring 128 is bent upward.
예시된 바와 같이, 캔틸레버(126)의 자유 단부(130)는 스프링(128) 보다 큰 수직 거리로 편향되는 것이 바람직하다. 이 효과는 캔틸레버(126)에 의해 나타나는 것 보다 큰 곡율을 나타내게 하도록 스프링(128)내에 고유 응력 구배를 도입함으로써 달성될 수 있다. 결과적으로, 스프링(128)의 보다 큰 곡율은 스프링(128)의 단부가 큰 수직 편향을 달성하는 것을 방지하며, 캔틸레버(126)의 보다 적은 곡율은 캔틸레버(126)의 자유 단부(130)가 보다 큰 수직 편향을 달성할 수 있게 한다. 캔틸레버(126)가 비교적 평탄하게(미소한 잔류응력으로 또는 잔류 응력 없이) 남아있어야 하기 때문에, 판 스프링(128)의 응력 구배는 선택적으로 도입되어야 한다. 보다 상세히 후술될 바와 같이, 응력 구배는 스프링(128)을 예로써, 서로 다른 열 팽창 계수(CTE)를 갖는 2개 금속을 구비한 층상구조로 함으로써, 또한, 고유 응력 구배를 갖는 단일 금속(예로써, 연성 금 또는 경성 금)을 사용함으로써, 스프링(128)에 도입될 수 있다. As illustrated, the free end 130 of the cantilever 126 is preferably deflected by a greater vertical distance than the spring 128. This effect can be achieved by introducing an intrinsic stress gradient into the spring 128 to produce a curvature greater than that exhibited by the cantilever 126. As a result, the greater curvature of the spring 128 prevents the end of the spring 128 from achieving a greater vertical deflection, while the less curvature of the cantilever 126 results in a greater free end 130 of the cantilever 126. Makes it possible to achieve large vertical deflections. Since the cantilever 126 must remain relatively flat (with slight residual stress or without residual stress), the stress gradient of the leaf spring 128 must be selectively introduced. As will be described in more detail below, the stress gradient is a spring metal 128 having, for example, a layered structure with two metals having different coefficients of thermal expansion (CTE), thereby providing a single metal (eg, intrinsic stress gradient). By using soft gold or hard gold).
예비 계산은 캔틸레버(126)의 수직 편향이 스프링(128)의 수직 편향 보다 2배 이상(약 6배)이라는 것을 보여 준다. 예로써, 0.85mm 및 0.60mm의 캔틸레버(126)와 스프링(128)의 길이가 주어지면 일 방향으로의 캔티레버(126)의 추정된 개산 편향은 0.085mm으로 산출되는 반면에, 일 방향으로의 스프링(128)의 추정된 개산 편향은 단지 0.014mm로 산출된다. 따라서, 스위칭 부재(106)의 고유 형상이 기계적 증폭기로서 작용하며, 적당한 작동 치수를 유지하면서, 캔티레버의 큰 이동 거리를 가능하게 한다.Preliminary calculations show that the vertical deflection of the cantilever 126 is more than twice (about 6 times) the vertical deflection of the spring 128. By way of example, given the lengths of the cantilever 126 and spring 128 of 0.85 mm and 0.60 mm, the estimated estimated deflection of the cantilever 126 in one direction is calculated to be 0.085 mm, while the spring in one direction is calculated. The estimated approximation bias of 128 is calculated to be only 0.014 mm. Thus, the inherent shape of the switching member 106 acts as a mechanical amplifier and enables a large travel distance of the cantilever while maintaining proper operating dimensions.
안정한 플랫폼을 제공하기 위해, 스위칭 부재(106)는 3개 고정구를 경유하여 저부 칩(102)에 장착된다. 구체적으로, 스위칭 부재(106)의 비틀림 부재(124)는 공통 고정구(136)에 장착되고, 이는 순차적으로 저부 칩(102)의 공통 입력 단자(114)에 장착되어 그와 전기적으로 접촉한다. 이 방식으로, 공통 고정구(136)는 공통 입력 단자(114)와 캔틸레버(126) 사이의 전기적 통로로서 작용한다. 스위칭 부재(106)의 비틀림 부재(124)에 대향한 스프링(128)의 단부는 2개의 각 고정구(138)에 장착되며, 이는 순차적으로 저부 칩(102)에 장착된다. 따라서, 스프링(128)은 공통 고정구(136)와 스프링 고정구(138) 사이에서 연장하는 가요성 부분(140)을 갖는다. 공통 고정구(136)와는 달리, 스프링 고정구(138)는 단지 지지구조체로서만 기능하며, 전기 통로로서 기능하지 않으며, 따라서, 저부 칩(102)의 CPW(112)와 직접적으로 전기 소통하지 않는다.To provide a stable platform, the switching member 106 is mounted to the bottom chip 102 via three fixtures. Specifically, the torsion member 124 of the switching member 106 is mounted to the common fixture 136, which in turn is mounted to and in electrical contact with the common input terminal 114 of the bottom chip 102. In this way, the common fixture 136 acts as an electrical path between the common input terminal 114 and the cantilever 126. An end of the spring 128 opposite the torsional member 124 of the switching member 106 is mounted to each of the two fixtures 138, which in turn are mounted to the bottom chip 102. Thus, the spring 128 has a flexible portion 140 extending between the common fixture 136 and the spring fixture 138. Unlike the common fixture 136, the spring fixture 138 only functions as a support structure and does not function as an electrical passageway and therefore does not directly communicate with the CPW 112 of the bottom chip 102.
따라서, 스위칭 조립체(100)가 업-상태일 때, 폐회로가 공통 입력 단자(114)와 상단 출력 단자(122) 사이에 형성된다는 것을 인지할 수 있다. 구체적으로, 중앙 캔틸레버(126)의 접점(134)은 상단 칩(104)상의 상단 출력 단자(122)와 접촉하고, 그래서, 저부 칩(102)의 공통 입력 단자(114)의 RF 신호가 공통 고정구(136) 위로, 중앙 캔틸레버(126)를 가로질러, 상단 출력 단자(122)내로, 그리고, 상단 CPW(120)를 통해 진행하고, 여기서, 이는 상단 칩(104)의 관련 회로로 라우팅된다. 스위칭 조립체(100)가 다운-상태에 있을 때, 공통 입력 단자(114)와 저부 출력 단자(116) 사이에 폐회로가 형성된다. 구체적으로, 중앙 캔틸레버(126)의 접점(132)은 저부 칩(102)상의 저부 출력 단자(116)와 접촉하고, 그래서, 저부 칩(102)의 공통 입력 단자(114)의 RF 신호는 공통 고정구(136) 위로, 중앙 캔틸레버(126)를 가로질러, 저부 출력 단자(116)로, 그리고, 저부 CPW(112)를 통해 진행하며, 여기서, 이는 저부 칩(102)의 회로로 라우팅된다. 명백히, 중앙 캔틸레버(126)는 비틀림 부재(124)로부터 스프링(128) 보다 더 연장한다. 결과적으로, 중앙 캔틸레버(126)상의 전기 접점(132 및 134)은 스프링(128)의 단부를 지나쳐 연장하며, 그래서, 전기적으로 "뜨거운(hot)" 스프링(128)과 저부 및 상단 출력 단자(116 및 122) 중 어느 하나 사이의 용량성 결합이 최소화된다. Thus, when the switching assembly 100 is in the up-state, it can be appreciated that a closed circuit is formed between the common input terminal 114 and the top output terminal 122. Specifically, the contact 134 of the central cantilever 126 is in contact with the top output terminal 122 on the top chip 104, so that the RF signal of the common input terminal 114 of the bottom chip 102 is a common fixture. Over 136, across the central cantilever 126, into the top output terminal 122, and through the top CPW 120, where it is routed to the relevant circuitry of the top chip 104. When the switching assembly 100 is in the down-state, a closed circuit is formed between the common input terminal 114 and the bottom output terminal 116. Specifically, the contact 132 of the central cantilever 126 is in contact with the bottom output terminal 116 on the bottom chip 102, so that the RF signal at the common input terminal 114 of the bottom chip 102 is a common fixture. Over 136, across central cantilever 126, to bottom output terminal 116, and through bottom CPW 112, where it is routed to the circuit of bottom chip 102. Clearly, the central cantilever 126 extends further from the torsion member 124 than the spring 128. As a result, the electrical contacts 132 and 134 on the central cantilever 126 extend past the ends of the springs 128, so that the electrically " hot " springs 128 and the bottom and top output terminals 116 And 122) the capacitive coupling between any one of them is minimized.
입력 또는 출력 단자로서의 단자의 특성화는 회로가 설계되는 방식에 의존한다는 것을 인지하여야 한다. 예로써, 공통 단자(114)는 RF 출력 단자일 수 있는 반면에, 저부 및 상단 단자(116 및 122)는 RF 입력 단자일 수 있다. 이 경우, 스위칭 조립체(100)는 RF 신호가 선택된 저부 및 상단 입력 단자(116 및 122) 중 하나로부터 공통 출력 단자(114)로 진행하는 것을 제외하면, 상술된 방식으로 기능한다. It should be appreciated that the characterization of the terminal as an input or output terminal depends on how the circuit is designed. By way of example, common terminal 114 may be an RF output terminal, while bottom and top terminals 116 and 122 may be RF input terminals. In this case, the switching assembly 100 functions in the manner described above, except that the RF signal travels from one of the selected bottom and top input terminals 116 and 122 to the common output terminal 114.
스위칭 부재(106)의 굴곡은 예로써, 자기, 정전기, 압전, 형상 기억 및 열적 수단을 포함하는 다양한 수단을 사용하여 작동될 수 있다. 예시된 실시예에서, 자기 수단이 사용된다. 구체적으로, 작동기(108)는 상단 칩(104)의 기판(118)에 고착된 자기장 코일(142) 및 양 스프링(128)의 길이를 따라 고착된 복수의 철 함유 요소(144)를 포함한다. 자기장 코일(142)은 구리 같은 적절한 전기 도전성 재료로 구성된다. 상단 칩(104)은 코일(142)에 전기를 제공하여 여기시키기 위해 코일 입력 단자(146) 및 코일 출력 단자(148)(도7k 및 도8k에 도시)를 추가로 포함한다. 코일(142)에 대향 극성을 가지는 전류를 공급하는 것은 스위칭 조립체(100)를 업 및 다운 상태로 선택적으로 배치한다. 구체적으로, 전류가 자기장 코일(142)이 스프링(128)상의 철 함유 요소(144)를 당기는 자기장을 갖도록 유도하는 극성을 가질 때, 따라서, 스프링(128)이 상향 굴곡되어 캔틸레버(126)를 업-상태로 배치한다. 대조적으로, 전류가 자기장 코일(142)이 스프링(128)상의 철 함유 요소를 배척하는 자기장을 갖도록 유도하는 대향 극성을 가질 때, 따라서, 스프링(128)은 하향 굴곡되어 캔틸레버를 다운-상태로 배치한다.The bending of the switching member 106 can be operated using a variety of means including, for example, magnetic, electrostatic, piezoelectric, shape memory and thermal means. In the illustrated embodiment, magnetic means are used. Specifically, the actuator 108 includes a magnetic field coil 142 secured to the substrate 118 of the top chip 104 and a plurality of iron containing elements 144 secured along the length of both springs 128. The magnetic field coil 142 is composed of a suitable electrically conductive material, such as copper. The top chip 104 further includes a coil input terminal 146 and a coil output terminal 148 (shown in FIGS. 7K and 8K) to provide electricity to excite the coil 142. Supplying a current with opposite polarity to the coil 142 selectively places the switching assembly 100 in an up and down state. Specifically, when the current has a polarity that causes the magnetic field coil 142 to have a magnetic field that pulls the iron containing element 144 on the spring 128, the spring 128 is therefore bent upward to uplift the cantilever 126. Place in state. In contrast, when the current has opposite polarity which causes the magnetic field coil 142 to have a magnetic field that rejects the iron containing element on the spring 128, the spring 128 is therefore bent downward to place the cantilever in the down-state. do.
다른 실시예에서, 자기장 코일(142)은 도10에 예시된 바와 같이, 저부 칩(102)의 기판(110)에 고착된다. 이 경우에, 작동기(108)는 스프링(128)의 동일한 업 및 다운 굴곡을 제공하도록 전류의 극성이 스위칭되는 것을 제외하면 유사한 방식으로 동작된다. 다른 대안 실시예에서, 자기장 코일은 상단 기판(118)의 이면상에 인쇄되고, 접합 배선이 코일의 단부에 접속될 수 있다. 이 방식으로, 코일은 CPW로부터 차폐되어 코일이 "픽-업" 코일로서 작용하여 CPW내의 RF 신호에 대한 간섭을 유발할 수 있게 되는 것을 방지할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 자기장 코일 제조 단계가 생략되고, 통상적인 구리선을 사용하여 조립 이후 전체 2개 칩 디바이스 둘레에 코일이 수작업으로 권선될 수 있다.In another embodiment, the magnetic field coil 142 is secured to the substrate 110 of the bottom chip 102, as illustrated in FIG. In this case, the actuator 108 is operated in a similar manner except that the polarity of the current is switched to provide the same up and down bending of the spring 128. In another alternative embodiment, the magnetic field coil may be printed on the back side of the top substrate 118 and the junction wire may be connected to the end of the coil. In this way, the coil can be shielded from the CPW to prevent the coil from acting as a "pick-up" coil to cause interference to the RF signal in the CPW. In yet another embodiment, the magnetic field coil manufacturing step is omitted and the coil can be manually wound around the entire two chip device after assembly using conventional copper wire.
또 다른 실시예에서, 철 함유 요소(145)가 저부 및 상단 칩(102 및 104)의 기판(110 및 118) 중 어느 하나에 고착되고, 자기장 코일(143)이 도11에 예시된 바와 같이, 스프링(128)의 길이를 따라 고착된다. 이 경우에, 자기장 코일(143)은 패시베이션 층(미도시)을 경유하여 전기 도전성 스프링(128)으로부터 격리되며, RF 전기적 경로로부터 격리된 전기적 경로를 통해 전류를 공급받는다. 역시, 스프링(128)의 굴곡은 대향 극성의 전류로 자기장 코일을 여기시킴으로써 작동된다.In another embodiment, the iron containing element 145 is secured to either of the substrates 110 and 118 of the bottom and top chips 102 and 104, and the magnetic field coil 143 is illustrated in FIG. It sticks along the length of the spring 128. In this case, magnetic field coil 143 is isolated from electrically conductive spring 128 via a passivation layer (not shown) and is supplied with current through an electrical path isolated from the RF electrical path. Again, the bending of the spring 128 is activated by exciting the magnetic field coil with a current of opposite polarity.
이제, 도5 내지 도9를 참조하여 스위칭 조립체(100)를 제조하기 위한 예시적 공정을 설명한다. 일반적으로, 저부 칩(102), 스위칭 부재(106), 스탠드오프(미도시) 및 작동기(108)의 철 함유 부분은 먼저 저부 CPW(112)를 저부 기판(110)상에 형성하고, 공통 입력 단자(114) 및 저부 출력 단자(116)를 CPW(112)상에 형성하고, 공통 입력 단자(114)상에 공통 고정구(136)를 형성하고, 스프링 고정구(138) 및 스탠드오프를 기판(110)상에 형성하고, 그후, 작동기(108)의 철 함유 요소(144)와 함께 스위칭 부재(106)를 고정구(136 및 138)상에 형성함으로써 함께 단체형으로 제조된다. 상단 칩(104) 및 작동기(108)의 자성 부분은 상단 CPW(120) 및 DC 바이어싱 라인(미도시)을 기판(118)상에 형성하고, 상단 출력 단자(122) 코일 단자(146 및 148)를 형성하고, 자기장 코일(142)을 형성하고, 그후, 마지막으로, 스탠드오프(미도시)를 형성함으로써 단체식으로 함께 제조된다. 도5 내지 도9는 축척대로 도시되지 않았으며, 단지 예시적 제조 프로세스에 의해 고려되는 단계를 예시하기 위한 것이라는 것을 인지하여야 한다. 또한, 스탠드오프의 제조는 하기의 상세한 단계에서 설명되지 않는다는 것도 인지하여야 한다. 그러나, 일반적으로, 스탠드오프는 공정에서 각 금속 층이 추가될 때 각 기판(110 및 118)상에 점증적으로 형성된다.5-9, an exemplary process for manufacturing the switching assembly 100 will now be described. In general, the bottom chip 102, the switching member 106, the standoff (not shown), and the iron-containing portion of the actuator 108 first form the bottom CPW 112 on the bottom substrate 110, and then common input. A terminal 114 and a bottom output terminal 116 are formed on the CPW 112, a common fixture 136 is formed on the common input terminal 114, and a spring fixture 138 and standoffs are provided on the substrate 110. ) And then formed together in a single piece by forming the switching member 106 on the fixtures 136 and 138 together with the iron containing element 144 of the actuator 108. The magnetic portion of the top chip 104 and the actuator 108 forms a top CPW 120 and a DC biasing line (not shown) on the substrate 118, and top output terminals 122 coil terminals 146 and 148. ), A magnetic field coil 142, and then finally a standoff (not shown) to form a single piece together. It should be appreciated that Figures 5-9 are not drawn to scale and are merely intended to illustrate the steps considered by the example manufacturing process. It should also be appreciated that the manufacture of standoffs is not described in the detailed steps below. Generally, however, standoffs are incrementally formed on each substrate 110 and 118 as each metal layer is added in the process.
전제로서, 하기의 리소그래픽 제조 공정은 스위칭 조립체(100)의 다양한 요소를 패턴화 및 형성하기 위해 복수의 패터닝 층 및 마스크를 사용한다. 예시된 방법에서, 사진 마스크를 통해 패터닝 층의 일부를 광학적으로 노광 및 중합하기 위해 리소그래피가 사용된다. 하기의 공정에 의해 사용되는 패터닝 층은 소정의 적절한 감광성 재료로 구성될 수 있다. 예시된 공정에서, 패터닝 층은 달리 언급하지 않는 한 포토레지스트로 구성된다. 그러나, 패터닝 층은 선택 레이저 에칭, e-빔 기록 등 같은 소정의 적절한 공정을 사용하여 패턴화될 수 있다는 것을 인지하여야 한다. 포토리소그래피, 선택적 레이저 에칭, 및 e-빔 기록은 리소그래피 기술의 잘 알려진 공정이며, 따라서, 추가로 상세히 설명하지 않는다. 또한, 하기의 설명은 양성 마스크(즉, 패터닝 층의 노광부가 제거됨) 또는 음성 마스크(즉, 패터닝 층의 비노광부과 제거됨)를 기준으로 하지 않고 패턴을 가지는 것으로서 마스크를 설명한다. 그러나, 본 기술의 통상적인 지식을 가진 자는 양성 또는 음성 패턴 중 어느 하나가 하기의 프로세스에 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.As a premise, the following lithographic manufacturing process uses a plurality of patterning layers and masks to pattern and form various elements of the switching assembly 100. In the illustrated method, lithography is used to optically expose and polymerize a portion of the patterning layer through a photo mask. The patterning layer used by the following process may be composed of any suitable photosensitive material. In the illustrated process, the patterning layer consists of photoresist unless otherwise noted. However, it should be appreciated that the patterned layer can be patterned using any suitable process, such as selective laser etching, e-beam recording, and the like. Photolithography, selective laser etching, and e-beam recording are well known processes in lithography techniques and, therefore, will not be described in further detail. Further, the following description describes the mask as having a pattern without reference to a positive mask (i.e., the exposed portion of the patterning layer is removed) or a negative mask (i.e., removed with the non-exposed portion of the patterning layer). However, one of ordinary skill in the art will understand that either positive or negative patterns can be used in the following process.
먼저, 도5 및 도6을 참조하여 그 관련 소자와 함께 저부 칩(102)의 제조를 상세히 설명한다. First, the fabrication of the bottom chip 102 together with the related elements will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 6.
도5a 및 도6a에서, 저부 기판(110)의 전체 표면이 전해도금 같은 표준 증착 기술을 사용하여 금 층(150)으로 코팅된다. 이 단계는 제조 공정 직전에 수행되거나, 대안적으로, 이런 제품의 공급자에 의해 제공될 수 있다. 도5a 및 도6b에서, CPW 패터닝 층(152)이 금 층(150) 위에 증착되고, 저부 CPW(112)의 형상으로 패턴화된다. 구체적으로, 패터닝 층(152)은 원하는 저부 CPW(112)의 패턴을 가지는 제1 마스크(미도시)를 통해 노광되고, 그후, 노광된 패터닝 층(152)의 부분이 선택적으로 에칭 제거되어 마스크의 패턴을 패터닝 층(152)상으로 전사한다. 도5C 및 도6C에서, 저부 CPW(112)는 예로써, 패터닝 층(152)에 의해 노광된 금 층(150)의 부분을 선택적으로 에칭 제거하는 표준 금 에칭제, 예로써, (42%KI3%Iw/잔부 H2O)로 금 층(150)을 에칭함으로써 금 층(150)에 패터닝 층(152)의 패턴을 전사함으로써 형성된다. 도5d 및 도6d에서, 패터닝 층(152)은 예로써, 아세톤을 사용하여 CPW(112)로부터 제거된다.5A and 6A, the entire surface of bottom substrate 110 is coated with gold layer 150 using standard deposition techniques such as electroplating. This step may be performed immediately before the manufacturing process or, alternatively, may be provided by the supplier of such a product. 5A and 6B, a CPW patterning layer 152 is deposited over the gold layer 150 and patterned in the shape of the bottom CPW 112. Specifically, the patterning layer 152 is exposed through a first mask (not shown) having a pattern of the desired bottom CPW 112, and then portions of the exposed patterning layer 152 are selectively etched away to form the mask. The pattern is transferred onto the patterning layer 152. 5C and 6C, bottom CPW 112 is, for example, a standard gold etchant that selectively etches away portions of the gold layer 150 exposed by patterning layer 152, such as (42% KI3 It is formed by transferring the pattern of the patterning layer 152 to the gold layer 150 by etching the gold layer 150 with% Iw / balance H 2 O. 5D and 6D, patterning layer 152 is removed from CPW 112 using, for example, acetone.
도5e 및 도6e에서, 취급 동안 스위칭 조립체(100)의 감지 영역에 대한 보호 및 스위칭 조립체(100)의 구성요소 사이의 전기적 격리를 제공하기 위해, 패시베이션 층(154)이 CPW(112) 및 기판(110)의 노출된 부분상에 증착된다. 예시된 실시예에서, 패시베이션 층(154)은 포토리소그래픽 재료, 구체적으로는 자외선 광을 사용하여 직접적으로 패턴화될 수 있는 비스벤조사이크로부텐 4022(BCB; Bisvenzocyclobutene)로 구성될 수 있다. 도5f 및 도6f에서, 패시베이션 층(154)은 하층 CPW(112) 까지 단자 비아(156 및 158)를 개구하도록 패터닝된다. 구체적으로, 패시베이션 층(154)이 원하는 비아(156 및 158)의 패턴을 가지는 제2 마스크(미도시)를 통해 UV광에 노광되고, 그후, UV광에 노광된 패시베이션 층(154)의 부분이 선택적으로 에칭제거되어 제2 마스크의 패턴을 패시베이션 층(154)상으로 전사한다. 도5g 및 도6g에서, 공통 입력 단자(114) 및 저부 출력 단자(116)를 형성하도록 패시베이션 층(154)을 통해 비아(156 및 158)내에 경성 금이 전해도금된다. 연성 금으로 구성된 캔틸레버(126)가 저부 출력 단자(116)상에 융합되거나, 다른 방식으로 점착 문제를 유발하지 않도록 이 단계에서 경성 금이 사용된다. 5E and 6E, the passivation layer 154 is provided with the CPW 112 and substrate to provide protection for the sensing area of the switching assembly 100 and electrical isolation between the components of the switching assembly 100 during handling. Deposited on the exposed portion of 110. In the illustrated embodiment, passivation layer 154 may be comprised of bisbenzocyclobutene 4022 (BCB; Bisvenzocyclobutene), which may be directly patterned using photolithographic material, specifically ultraviolet light. 5F and 6F, the passivation layer 154 is patterned to open terminal vias 156 and 158 up to the lower layer CPW 112. Specifically, passivation layer 154 is exposed to UV light through a second mask (not shown) having a pattern of desired vias 156 and 158, and then a portion of passivation layer 154 exposed to UV light is It is optionally etched away to transfer the pattern of the second mask onto the passivation layer 154. 5G and 6G, hard gold is electroplated into vias 156 and 158 through passivation layer 154 to form common input terminal 114 and bottom output terminal 116. Hard gold is used in this step so that the cantilever 126 made of soft gold is not fused on the bottom output terminal 116 or otherwise causes sticking problems.
도5h 및 도6h에서, 제조 동안 스위칭 부재(106) 및 연계된 고정구(136 및 138)를 위한 기계적 지지부를 제공하기 위해, 희생 층(160)이 패턴화된 패시베이션 층(154)상에 증착된다. 희생 층(160)은 소정의 적절한 재료, 예로써, 농후한 포토레지스트 또는 폴리카보네이트로 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 농후한 포토레지스트, 예로써, SU-8이 사용된다. 도5i 및 도6i에서, 희생층(160)은 하층 공통 입력 단자(114)까지, 공통 고정구 비아(162)를, 그리고, 패시베이션 층(154)까지 스프링 고정구 비아(164)를 개구하도록 패터닝된다. 구체적으로, 희생층(160)이 비아(162 및 164)의 원하는 패턴을 가지는 제3 마스크(미도시)에 의해 노광되고, 그후, 희생층(156)의 UV광에 노광된 부분이 선택적으로 에칭제거되어 제3 마스크의 패턴을 희생층(160)상에 전사한다. 도5j 및 도6j에서, 공통 및 스프링 고정구(136 및 138)를 형성하도록 희생층(156)을 통해 비아(162 및 164)내에 경성 금이 전해도금된다. 공정의 이 스테이지에서, 고정구(136 및 138)의 상단부 및 희생층(160)의 상면은 일반적으로 조면화되며, 이는 이 표면이 추후 스위칭 부재(106)의 저면을 형성하기 때문에 부적합하다. 스위칭 부재(106)를 위한 보다 평활한 저면을 획득하기 위해, 고정구(136 및 138)의 상단부 및 희생층(160)의 상면은 화학 기계 연마 단계 또는 리플로우 프로세스를 사용하여 평면화되어, 도5k 및 도6k에 도시된 바와 같이 희생층(160)의 상면이 평활해지게 된다. 이는 스프링이 이중 클램핑된 빔의 제1 모드, 즉, "기타 줄(guitar string)" 모드에 대응하는 양호한 굴곡 모드를 갖게 되는 것을 보증하기 위해 수행된다. 그렇지 않으면, 스프링(128)이 부적합한 "S" 형상(제2 모드) 또는 보다 열악한 형상을 취하게될 위험이 있다.5H and 6H, sacrificial layer 160 is deposited on patterned passivation layer 154 to provide mechanical support for switching member 106 and associated fixtures 136 and 138 during fabrication. . Sacrificial layer 160 may be comprised of any suitable material, such as thick photoresist or polycarbonate. In the illustrated embodiment, a thick photoresist, such as SU-8, is used. 5i and 6i, the sacrificial layer 160 is patterned to open the spring fixture vias 164 to the lower common input terminal 114, the common fixture vias 162, and the passivation layer 154. Specifically, the sacrificial layer 160 is exposed by a third mask (not shown) having a desired pattern of vias 162 and 164, after which the portion exposed to UV light of the sacrificial layer 156 is selectively etched. It is removed to transfer the pattern of the third mask on the sacrificial layer 160. 5J and 6J, hard gold is electroplated in vias 162 and 164 through sacrificial layer 156 to form common and spring fixtures 136 and 138. At this stage of the process, the tops of the fixtures 136 and 138 and the top surface of the sacrificial layer 160 are generally roughened, which is inadequate because this surface will later form the bottom of the switching member 106. In order to obtain a smoother bottom for the switching member 106, the top of the fixtures 136 and 138 and the top of the sacrificial layer 160 are planarized using a chemical mechanical polishing step or a reflow process, FIGS. As shown in FIG. 6K, the top surface of the sacrificial layer 160 is smoothed. This is done to ensure that the spring has a good bend mode corresponding to the first mode of the double clamped beam, ie the "guitar string" mode. Otherwise, there is a risk that the spring 128 will take an inappropriate "S" shape (second mode) or a worse shape.
도5l 및 도6l에서, 예로써, 증발 같은 적절한 공정을 거쳐 희생층(160)상에 종정층(166)이 증착된다. 이 종정층(166)은 전기 도전성인 재료로 구성되며, 전해도금액내의 금속 이온, 예로써, 금, 티타늄 및/또는 텅스텐에 대해 높은 친화력을 갖는다. 도5m 및 도6m에서, 스프링 패터닝 층(168)이 종정층(166) 위에 증착되고, 패턴화되어 스위칭 부재(106)의 스프링(128)의 만곡-유도 층을 위한 몰드(170)를 형성한다. 구체적으로, 패터닝 층(168)이 스위칭 부재(106)의 스프링(128)의 원하는 패턴을 갖는 제4 마스크(미도시)를 통해 노광되고, 그후, 패터닝 층(168)의 노광된 부분이 선택적으로 에칭 제거되어, 마스크의 패턴을 패터닝 층(168)상에 전사한다. 도5n 및 도6n에서, 경성 금(172)의 박층이 스프링 몰드(170)내에 선택적으로, 즉, 패터닝 층(168)의 에칭된 부분에 전해도금된다. 보다 상세히 후술될 바와 같이, 이 얇은 금 층(172)은 원하는 곡율을 나타내도록 고유 응력 구배를 갖는 스프링(128)을 제공하기 위해 사용된다. 부재내에 응력 구배를 도입하는 것에 대한 추가적인 세부 사항은 본 명세서에 명백히 참조로 포함되어 있는 발명의 명칭이 "고유 응력 구배를 가지는 정전 작동기(Electrostatic Actuators with Intrinsic Stress Gradient)"인 동시계류중인 미국 특허 출원 제09/944,867호에 개시되어 있다. 예시된 공정에서, 고정구(138)에 인접한 스프링(128)의 단부는 그들이 고정되며, 따라서, 어떠한 곡율도 나타내지 않기 때문에 금 층(172)을 포함하지 않는다. 도5o 및 도6o에서, 패터닝 층(168)이 예로써, 아세톤을 사용하여 종정층(166)으로부터 제거된다. 도5p 및 도6p에서, 연성 금(174)의 두꺼운 층(예로써, 10㎛)이 스프링(128)의 일 층을 형성하는 얇은 금 층(172) 및 종정층(166)의 노출된 부분 위에 증착(예로써, 전해도금에 의해)되어 스위칭 부재(106)의 주 구조체를 형성한다.5L and 6L, a seed layer 166 is deposited on the sacrificial layer 160 via a suitable process such as, for example, evaporation. The seed layer 166 is made of an electrically conductive material and has a high affinity for metal ions in the electrolytic plating solution, for example, gold, titanium and / or tungsten. 5M and 6M, a spring patterning layer 168 is deposited over the seed layer 166 and patterned to form a mold 170 for the curved-inducing layer of the spring 128 of the switching member 106. . Specifically, patterning layer 168 is exposed through a fourth mask (not shown) having a desired pattern of springs 128 of switching member 106, and then the exposed portions of patterning layer 168 are optionally The etching is removed to transfer the pattern of the mask onto the patterning layer 168. 5N and 6N, a thin layer of hard gold 172 is optionally electroplated into the spring mold 170, ie, to the etched portion of the patterning layer 168. As will be discussed in more detail below, this thin gold layer 172 is used to provide a spring 128 having an inherent stress gradient to exhibit the desired curvature. Further details on the introduction of stress gradients into a member are described in the co-pending US patent application entitled "Electrostatic Actuators with Intrinsic Stress Gradient", which is expressly incorporated herein by reference. 09 / 944,867. In the illustrated process, the ends of the springs 128 adjacent to the fixture 138 do not include the gold layer 172 because they are fixed and therefore do not exhibit any curvature. 5O and 6O, patterning layer 168 is removed from seed layer 166 using, for example, acetone. 5P and 6P, a thick layer of soft gold 174 (eg, 10 μm) is over the exposed portion of thin gold layer 172 and seed layer 166 forming one layer of spring 128. Deposition (eg, by electroplating) forms the main structure of the switching member 106.
도5q 및 도6q에서, 철 함유 요소 패터닝 층(176)이 연성 금 층(174)위에 증착되고, 단지 스프링(128) 위에서만 패턴화되어 작동기(108)의 철 함유 요소(144)를 위한 몰드(178)를 형성한다. 구체적으로, 패터닝 층(176)은 철 함유 요소(144)의 원하는 패턴을 가지는 제5 마스크(미도시)를 통해 노광되고, 그후, 패터닝 층(176)의 노광된 부분이 선택적으로 에칭제거되어 마스크의 패턴을 패터닝 층(176)상에 전사한다. 도5r 및 도6r에서, 철 함유 재료가 철 함유 요소 몰드(178)내에 선택적으로, 즉, 패터닝 층(176)의 에칭된 부분에 전해도금되어 철 함유 요소(144)를 형성한다. 도5s 및 도6s에서, 패터닝 층(176)이 예로써, 아세톤을 사용하여 연성 금 층(174)으로부터 제거된다.5q and 6q, an iron containing element patterning layer 176 is deposited over the soft gold layer 174 and patterned only over the spring 128 to mold the iron containing element 144 of the actuator 108. 178 is formed. Specifically, patterning layer 176 is exposed through a fifth mask (not shown) having a desired pattern of iron-containing element 144, after which the exposed portions of patterning layer 176 are selectively etched away to mask Is transferred onto the patterning layer 176. 5R and 6R, the iron containing material is optionally electroplated in the iron containing element mold 178, ie, in the etched portion of the patterning layer 176 to form the iron containing element 144. 5S and 6S, patterning layer 176 is removed from soft gold layer 174 using, for example, acetone.
도5t 및 도6t에서, 스위칭 부재 패터닝 층(182)이 연성 금 층(174) 위에 증착되고, 스위칭 부재(106)의 형상으로 패터닝된다. 구체적으로, 패터닝 층(182)은 스위칭 부재(106)의 원하는 패턴을 가지는 제6 마스크(미도시)를 통해 노광되며, 그후, 패터닝 층(182)의 노광된 부분이 선택적으로 에칭제거되어 마스크의 패턴을 패터닝 층(182)상에 전사한다. 도5u 및 도6u에서, 패터닝 층(182)에 의해 노광된 금 층(174)의 부분을 선택적으로 에칭 제거하는 표준 금 에칭제로 금 층(174)을 에칭하여 패터닝 층(182)의 패턴을 연성 금 층(174)으로 전사함으로써 횡단 비틀림 부재(124), 중앙 캔틸레버(126) 및 스프링(128)을 갖는 스위칭 부재(106)가 형성된다. 도5v 및 도6v에서, 예로써, 아세톤을 사용하여 패터닝 층(182)이 스위칭 부재(106)로부터 제거된다.5T and 6T, a switching member patterning layer 182 is deposited over the soft gold layer 174 and patterned in the shape of the switching member 106. Specifically, the patterning layer 182 is exposed through a sixth mask (not shown) having the desired pattern of the switching member 106, and then the exposed portions of the patterning layer 182 are selectively etched away to form the mask. The pattern is transferred onto the patterning layer 182. 5U and 6U, the pattern of the patterning layer 182 is softened by etching the gold layer 174 with a standard gold etchant that selectively etches away portions of the gold layer 174 exposed by the patterning layer 182. Transferring to the gold layer 174 forms a switching member 106 having a transverse torsional member 124, a central cantilever 126, and a spring 128. 5V and 6V, the patterning layer 182 is removed from the switching member 106 using, for example, acetone.
도5w 및 도6w에서, 스위칭 부재(106)를 방임시키도록 희생층(160)이 제거된다. 희생층(106)은 희생 층(160)을 용해시키도록 적절한 수단, 예로써, 농후한 레지스트 스트립퍼(resist stripper)를 사용하고, 그후, 액상 보조제, 예로써, 이온제거수(DI water)나 메탄올을 사용한 세정, 또는, 플라즈마를 사용하는 건식 에칭이나 폴리카보네이트 방임층의 경우에는 열분해가 이어짐으로써 제거될 수 있다. 5W and 6W, the sacrificial layer 160 is removed to neglect the switching member 106. The sacrificial layer 106 uses a suitable means to dissolve the sacrificial layer 160, for example, a thick resist stripper, and then a liquid aid, such as DI water or methanol. In the case of the cleaning using or the dry etching using the plasma or the polycarbonate anti-corrosion layer, the thermal decomposition can be followed by removal.
이제 도7을 참조하여, 그 연계된 요소와 함께 상단 칩(102)의 제조를 상세히 설명한다.Referring now to FIG. 7, the fabrication of top chip 102 with its associated elements is described in detail.
도7a 및 도8a에서, 상단 기판(118)의 전체 표면이 전해도금 같은 표준 증착 기술을 사용하여 금 층(184)으로 코팅된다. 이 단계는 제조 공정 직전에 수행되거나, 대안적으로, 이런 제품의 공급자에 의해 수행될 수 있다. 도7a 및 도7b에서, 예시된 실시예에서는 포토레지스트 재료로 구성된 CPW 패터닝 층(186)이 금 층(184) 위에 증착되고, 상단 CPW(120)의 형상으로 패턴화된다. 구체적으로, 패터닝 층(186)이 상단 CPW(120)의 원하는 패턴을 가지는 제7 마스크(미도시)를 통해 노광되고, 그후, 패터닝 층(186)의 노광된 부분이 선택적으로 에칭제거되어 마스크의 패턴을 패터닝 층(186)상으로 전사한다. 도7c에서, 패터닝 층(186)에 의해 노광된 금 층(184)의 부분을 선택적으로 에칭 제거하는 표준 금 에칭제로 금 층(184)을 에칭함으로써, 패터닝 층(186)의 패턴을 금 층(184)으로 전사하여 상단 CPW(120)가 형성된다. 도7d에서, 패터닝 층(186)은 예로써, 아세톤을 사용하여 CPW(120)로부터 제거된다.7A and 8A, the entire surface of top substrate 118 is coated with gold layer 184 using standard deposition techniques such as electroplating. This step may be performed immediately before the manufacturing process, or alternatively, by a supplier of such a product. 7A and 7B, in the illustrated embodiment a CPW patterning layer 186 composed of photoresist material is deposited over the gold layer 184 and patterned in the shape of the top CPW 120. Specifically, patterning layer 186 is exposed through a seventh mask (not shown) having the desired pattern of top CPW 120, and then the exposed portions of patterning layer 186 are selectively etched away to form the mask. The pattern is transferred onto the patterning layer 186. In FIG. 7C, the pattern of the patterning layer 186 is etched by etching the gold layer 184 with a standard gold etchant that selectively etches away portions of the gold layer 184 exposed by the patterning layer 186. Transfer 184 to the top CPW 120 is formed. In FIG. 7D, patterning layer 186 is removed from CPW 120 using, for example, acetone.
도7e 및 도8e에서, 스위칭 조립체(100)의 구성요소 사이의 전기적 격리 및 취급 동안의 스위칭 조립체(100)의 감지 영역의 보호를 제공하기 위해, 패시베이션 층(188)이 기판(118)의 노출된 부분 및 CPW(120)상에 증착된다. 예시된 실시예에서, 패시베이션 층(188)은 포토리소그래픽 재료, 구체적으로는 BCB로 구성된다. 도7f 및 도8f에서, 하층 CPW(120)까지 단자 비아(190, 192 및 194)를 개구하도록 패시베이션 층(188)이 패터닝된다.7E and 8E, the passivation layer 188 may be exposed to the substrate 118 to provide protection of the sensing area of the switching assembly 100 during electrical isolation and handling between components of the switching assembly 100. And deposited on CPW 120. In the illustrated embodiment, passivation layer 188 is comprised of photolithographic material, specifically BCB. In Figures 7F and 8F, passivation layer 188 is patterned to open terminal vias 190, 192, and 194 to lower layer CPW 120. In FIG.
특히, 패시베이션 층(188)이 원하는 비아(190, 192 및 194)의 패턴을 가지는 제8 마스크(미도시)를 통해 UV 광에 노광되고, 그후, 패시베이션 층(188)의 UV광에 노광된 부분이 선택적으로 에칭 제거되어 제8 마스크의 패턴을 패시베이션 층(188)상으로 전사한다. 도7g 및 도8g에서, 경성 금 같은 적절한 전기 도전성 재료가 패시베이션 층(188)을 통해 비아(190, 192 및 194)내에 전해도금되어 상단 출력 단자(122) 및 코일 단자(146 및 148)를 위한 이격 단자(149)를 형성한다.In particular, passivation layer 188 is exposed to UV light through an eighth mask (not shown) having a pattern of desired vias 190, 192, and 194, and then exposed to UV light of passivation layer 188. This is selectively etched away to transfer the pattern of the eighth mask onto the passivation layer 188. 7G and 8G, a suitable electrically conductive material, such as hard gold, is electroplated into vias 190, 192, and 194 through passivation layer 188, for top output terminal 122 and coil terminals 146 and 148. A spaced terminal 149 is formed.
도7h 및 도8h에서, 증발 같은 적절한 공정을 통해 패시베이션 층(188)상에 종정층(195)이 증착된다. 종정층(195)은 전기 도전성 재료로 구성되며, 전해도금액내의 금속 이온, 예로써, 금, 티타늄 및/또는 텅스텐에 대한 높은 친화력을 갖는다. 도7i 및 도8i에서, 예시된 실시예에서는 농후한 포토레지스트, 예로써, SU-8로 구성된 코일 패터닝 층(196)이 종정층(195) 위에 증착된다. 도7j 및 도8j에서, 패터닝 층(196)이 패턴화되어 코일 몰드(197)를 형성한다. 구체적으로, 패터닝 층(196)은 원하는 자기 작동기 코일(142)의 패턴을 가지는 제9 마스크(미도시)를 통해 노광되고, 그후, 패터닝 층(196)의 노광된 부분이 선택적으로 에칭 제거되어 마스크의 패턴을 패터닝 층(196)상에 전사한다. 도7k 및 도8k에서, 구리 같은 코일 재료가 코일 몰드(197)내에 전해도금되어 코일(142)을 형성한다. 도7l 및 도8l에서, 코일(142)의 상단부 및 패터닝 층(196)의 상면이 화학 기계 연마 같은 적절한 공정을 사용하여 평면화된다.7H and 8H, seed layer 195 is deposited on passivation layer 188 through a suitable process such as evaporation. The seed layer 195 is made of an electrically conductive material and has a high affinity for metal ions in the electrolytic plating solution, for example, gold, titanium and / or tungsten. 7I and 8I, in the illustrated embodiment, a coil patterning layer 196 composed of a thick photoresist, eg, SU-8, is deposited over the seed layer 195. 7J and 8J, patterning layer 196 is patterned to form coil mold 197. Specifically, patterning layer 196 is exposed through a ninth mask (not shown) having a desired pattern of magnetic actuator coils 142, after which the exposed portions of patterning layer 196 are selectively etched away to mask Is transferred onto the patterning layer 196. 7K and 8K, a coil material such as copper is electroplated into the coil mold 197 to form the coil 142. 7L and 8L, the upper end of the coil 142 and the top surface of the patterning layer 196 are planarized using a suitable process such as chemical mechanical polishing.
도7m 및 도8m에서, 단자 패터닝 층(198)이 코일 패터닝 층(196) 및 코일(142) 위에 증착되고, 패턴화되어 상단 출력 단자(122)를 위한 비아(199)를 형성한다. 구체적으로, 패터닝 층(198)이 원하는 비아(199)의 패턴을 가지는 제10 마스크(미도시)를 통해 노광되고, 그후, 패시베이션 층(188)의 노광된 부분이 선택적으로 에칭 제거되어 제10 마스크의 패턴을 패터닝 층(198)상으로 전사한다. 도7n 및 도8n에서, 상단 출력 단자(122)를 형성하도록 패터닝 층(198)을 통해 비아(199)내에 경성 금이 전해도금된다. 연성 금으로 구성된 캔틸레버(126)가 상단 출력 단자(122)상에 융합되거나, 다른 방식으로 점착 문제를 유발하지 않도록 이 단계에서 경성 금이 사용된다. 다음에, 제11 농후 포토레지스트 마스크(미도시)가 사용되어 스탠드오프(미도시)를 노출시키고 그후, 연성 금의 두꺼운 층 및 인듐이나 기타 적절한 땜납 재료의 얇은 층(미도시)이 적절한 증착 프로세스, 예로써, 증발 또는 스퍼터링에 의해 증착된다. 이는 스탠드오프 높이가 반대쪽 칩상의 스탠드오프의 높이와 같아지게 하며, 상부 및 하부 칩 사이의 접착층으로서 작용하게 한다. 도7o 및 도8o에서, 이질적인 인듐, 인듐 패터닝 층 및 단자 패터닝 층(198)이 예로써, 아세톤을 사용하여 코일 패터닝 층(196)으로부터 제거된다. 도7p 및 도8p에서, 예로써, 적절한 스트립퍼, 플라즈마 에치 또는 열 분해에 의해 패터닝 층(196)을 용해하고, 그후, 액상 보조제, 예로써, 이온제거수(DI water) 또는 메탄올을 사용한 세정이 이어짐으로써, 코일 패터닝 층(196)이 종정층(195)으로부터 제거된다. 도7q 및 도8q에서, 종정층(195)의 노출된 부분을 선택적으로 에칭 제거하는 표준 금 에칭제를 사용하여 패시베이션 층(188)으로부터 종정층(195)이 에칭 제거된다.7M and 8M, terminal patterning layer 198 is deposited over coil patterning layer 196 and coil 142 and patterned to form vias 199 for top output terminal 122. Specifically, patterning layer 198 is exposed through a tenth mask (not shown) having a pattern of desired vias 199, after which the exposed portion of passivation layer 188 is selectively etched away to remove the tenth mask. Is transferred onto the patterning layer 198. 7N and 8N, hard gold is electroplated in via 199 through patterning layer 198 to form top output terminal 122. Hard gold is used in this step so that the cantilever 126 made of soft gold is not fused onto the top output terminal 122 or otherwise causes sticking problems. Next, an eleventh rich photoresist mask (not shown) is used to expose the standoffs (not shown), after which a thick layer of soft gold and a thin layer of indium or other suitable solder material (not shown) are suitable deposition processes. For example, by evaporation or sputtering. This causes the standoff height to be equal to the height of the standoff on the opposite chip, acting as an adhesive layer between the top and bottom chips. 7O and 8O, heterogeneous indium, indium patterning layer and terminal patterning layer 198 are removed from coil patterning layer 196 using, for example, acetone. In Figures 7p and 8p, for example, dissolution of the patterning layer 196 by appropriate strippers, plasma etch or thermal decomposition, and then cleaning with a liquid aid, for example DI water or methanol, is performed. Subsequently, the coil patterning layer 196 is removed from the seed layer 195. 7Q and 8Q, the seed layer 195 is etched away from the passivation layer 188 using a standard gold etchant that selectively etches away the exposed portion of the seed layer 195.
저부 및 상단 칩(102 및 104)이 제조되고 나서, 스위칭 조립체(100)는 도9에 예시된 바와 같이, 서로에 대해 칩(102 및 104)을 장착함으로써 조립된다. 칩(102 및 104) 사이의 거리는 스위칭 조립체(100)가 업-상태일 때, 캔틸레버(126)의 자유 단부(130)가 상단 출력 단자(122)와 접촉하고(도1), 스위칭 조립체(100)가 다운-상태일 때, 캔틸레버(126)의 자유 단부(130)가 저부 출력 단자(116)와 접촉하도록(도2) 스텐드오프의 높이에 의해 결정된다. 2개 칩이 적절히 정렬되고 나면, 인듐 층 또는 다른 이런 연성 땜납형 재료를 사용하여 상부 및 하부 칩상의 금 스텐드오프 사이에 저온 공융 접합이 형성된다. After the bottom and top chips 102 and 104 are fabricated, the switching assembly 100 is assembled by mounting the chips 102 and 104 relative to each other, as illustrated in FIG. The distance between chips 102 and 104 is such that when the switching assembly 100 is in the up-state, the free end 130 of the cantilever 126 is in contact with the top output terminal 122 (FIG. 1), and the switching assembly 100 Is in the down-state, the free end 130 of the cantilever 126 is determined by the height of the standoff so that it contacts the bottom output terminal 116 (FIG. 2). Once the two chips are properly aligned, a low temperature eutectic bond is formed between the gold standoffs on the top and bottom chips using an indium layer or other such soft solder material.
비록, 상술된 스위칭 조립체(100)가 SPDT로서 설명되었지만, 스위칭 부재(106)는 기타 유형의 쌍안정 스위치와 유리하게 사용될 수 있다. 예로써, 도12 및 도13은 본 발명의 다른 양호한 실시예에 따라 구성된 싱글 폴 싱글 쓰로(SPST) 스위칭 조립체(200)를 도시한다. 스위칭 조립체(200)는 스위칭 체계내에 상부 칩, 및, 이에 따라 상단 RF 출력 단자를 사용하지 않는 것을 제외하면, 스위칭 조립체(100)와 구조적으로 유사하다. 이 경우, (도10에 도시된 바와 같이) 자기장 코일(142)은 인접 구조체에 고착되거나, 대안적으로, 저부 칩(102)에 고착된다.Although the switching assembly 100 described above has been described as an SPDT, the switching member 106 can be advantageously used with other types of bistable switches. 12 and 13 illustrate a single pole single throw (SPST) switching assembly 200 constructed in accordance with another preferred embodiment of the present invention. The switching assembly 200 is structurally similar to the switching assembly 100 except that the top chip in the switching scheme, and thus the top RF output terminal, is not used. In this case, the magnetic field coil 142 (as shown in FIG. 10) is fixed to the adjacent structure or, alternatively, to the bottom chip 102.
기능적으로, 공통 입력 단자로부터 2개 출력 단자 중 하나로 RF 신호를 교대로 스위칭하지 않고, 스위칭 조립체(200)는 입력 단자로부터 단일 출력 단자로 RF 신호가 전달되는 온-상태 또는, RF 신호가 전혀 입력 단자로부터 전달되지 않는 오프-상태 사이에서 교대로 스위칭한다. Functionally, without alternately switching the RF signal from the common input terminal to one of the two output terminals, the switching assembly 200 is in an on-state or RF signal at which no RF signal is transmitted from the input terminal to the single output terminal. Alternately switches between off-states not transmitted from the terminals.
따라서, 스위칭 조립체(200)가 다운-상태(또는 "온-상태")일 때(도13), 입력 및 출력 단자(114 및 116) 사이에 폐회로가 형성된다. 구체적으로, 중앙 캔틸레버(126)의 접점(132)은 저부 칩(102)상의 출력 단자(116)와 접점을 형성하며, 그래서, 저부 칩(102)의 입력 단자(114)에서의 RF 신호가 공통 고정구(136) 위로 중앙 캔틸레버(126)를 거쳐 출력 단자(116)내로, 그리고, 저부 CPW(112)를 통해 진행하며, 그곳에서, 저부 칩(102)의 회로로 라우팅된다. 그러나, 스위칭 조립체(200)가 업-상태(또는 "오프-상태")(도12)일 때, 입력 단자와 출력 단자(114 및 116) 사이에 개회로가 형성된다. 구체적으로, 중앙 캔틸레버(126)의 접점(132)은 출력 단자(116)와 접촉하지 않으며, 따라서, 입력 단자(114)로부터의 RF 신호는 출력 단자(116)로 진행하지 않는다.Thus, when the switching assembly 200 is in the down-state (or “on-state”) (FIG. 13), a closed circuit is formed between the input and output terminals 114 and 116. Specifically, the contact 132 of the central cantilever 126 forms a contact with the output terminal 116 on the bottom chip 102, so that the RF signal at the input terminal 114 of the bottom chip 102 is common. Over the fixture 136, through the central cantilever 126, into the output terminal 116, and through the bottom CPW 112, where it is routed to the circuit of the bottom chip 102. However, when the switching assembly 200 is in an up-state (or " off-state ") (Fig. 12), an open circuit is formed between the input terminal and the output terminals 114 and 116. Specifically, the contact 132 of the central cantilever 126 is not in contact with the output terminal 116, and therefore, the RF signal from the input terminal 114 does not proceed to the output terminal 116.
전술한 바와 같이, 입력 또는 출력 단자로서의 단자의 특성화는 회로 설계 방식에 의존된다. 예로써, 단자(114)는 RF 출력 단자인 반면에, 단자(116)는 RF 입력 단자일 수 있다. 이 경우, 스위칭 조립체(200)는 RF 스위칭 조립체(200)가 온-상태로 배치될 때, 신호가 입력 단자(116)로부터 출력 단자(114)로 진행하는 것을 제외하면, 바로 설명된 방식으로 기능한다.As mentioned above, the characterization of terminals as input or output terminals depends on the circuit design scheme. By way of example, terminal 114 may be an RF output terminal, while terminal 116 may be an RF input terminal. In this case, the switching assembly 200 functions in the manner just described, except that when the RF switching assembly 200 is placed in an on-state, the signal travels from the input terminal 116 to the output terminal 114. do.
스위칭 조립체(200)는 저부 칩(102) 및 이제 자기장 코일(142)을 포함하는 그 관련 구성요소가 저부 칩(102)상에 단체식으로 제조되는 것을 제외하면, 스위칭 조립체(100)와 유사한 방식으로 제조될 수 있다. The switching assembly 200 is similar to the switching assembly 100 except that the bottom chip 102 and its related components, which now include the magnetic field coil 142, are manufactured collectively on the bottom chip 102. It can be prepared as.
도14 및 도15는 본 발명의 다른 양호한 실시예에 따라 구성된 다른 SPST 스위칭 조립체(300)를 도시한다. 이 스위칭 조립체(300)는 RF 입력 및 출력 단자가 서로 인접하고, 중앙 캔틸레버가 이들 입력 및 출력 단자를 단락시키도록 변형된 것을 제외하면, 스위칭 조립체(200)와 구조적으로 유사하다. 이를 위해, 스위칭 조립체(300)는 서로 인접하게 기판(110)의 일 측부상에 배치된 RF 입력 및 출력 단자(114 및 116)를 포함하는 저부 칩(302)을 포함한다. 스위칭 조립체(300)는 그 자유 단부(330)에 횡단 단락 바아(332)를 포함하는 중앙 캔틸레버(326)를 포함하는 것을 제외하면, 전술된 스위칭 부재(106)와 유사한 스위칭 부재(306)를 추가로 포함한다. 단락 바아(332)는 캔틸레버(326)의 자유 단부(330)상에 중심설정되며, 입력 및 출력 단자(114 및 116) 사이의 간격과 적어도 같은 길이를 갖는다.14 and 15 illustrate another SPST switching assembly 300 constructed in accordance with another preferred embodiment of the present invention. This switching assembly 300 is structurally similar to the switching assembly 200 except that the RF input and output terminals are adjacent to each other and the central cantilever is modified to short these input and output terminals. To this end, the switching assembly 300 includes a bottom chip 302 that includes RF input and output terminals 114 and 116 disposed on one side of the substrate 110 adjacent to each other. The switching assembly 300 adds a switching member 306 similar to the switching member 106 described above, except that the free end 330 includes a central cantilever 326 that includes a cross shorting bar 332. It includes. Shorting bar 332 is centered on free end 330 of cantilever 326 and has a length at least equal to the spacing between input and output terminals 114 and 116.
따라서, 스위칭 조립체(300)가 다운 상태(또는 "온-상태")(도15)일 때, 입력 및 출력 단자(114 및 116)사이에 폐회로가 형성된다는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 중앙 캔틸레버(326)의 단락 바아(332)는 입력 및 출력 단자(114 및 116)와 접점을 형성하며, 그래서, 입력 단자(114)의 RF 신호가 단락 바아(332)를 가로질러 출력 단자(116)로 진행한다. 그러나, 스위칭 조립체(200)가 업-상태(또는 "오프-상태")일 때(도14), 입력 및 출력 단자(114 및 116) 사이에 개회로가 형성된다. 구체적으로, 중앙 캔틸레버(126)의 단락 바아(332)는 입력 및 출력 단자(114 및 116)와 접촉하지 않으며, 따라서, 입력 단자(114)로부터의 RF 신호는 출력 단자(116)로 진행하지 않는다. Thus, it can be seen that when the switching assembly 300 is in the down state (or “on-state”) (FIG. 15), a closed circuit is formed between the input and output terminals 114 and 116. Specifically, the short bar 332 of the central cantilever 326 makes contact with the input and output terminals 114 and 116, such that the RF signal at the input terminal 114 outputs across the short bar 332. Proceed to terminal 116. However, when the switching assembly 200 is in an up-state (or “off-state”) (FIG. 14), an open circuit is formed between the input and output terminals 114 and 116. Specifically, the shorting bar 332 of the central cantilever 126 is not in contact with the input and output terminals 114 and 116, and therefore the RF signal from the input terminal 114 does not proceed to the output terminal 116. .
전술한 바와 같이, 입력 또는 출력 단자로서의 단자의 특성화는 회로가 설계되는 방식에 의존한다. 예로써, 단자(114)가 RF 출력 단자인 반면에, 단자(116)는 RF 입력 단자일 수 있다. 이 경우에, 스위칭 조립체(300)가 온-상태로 배치될 때, RF 신호가 입력 단자(116)로부터 출력 단자(114)로 진행하는 것을 제외하면, 스위칭 조립체는 바로 설명된 방식으로 기능한다.As mentioned above, the characterization of terminals as input or output terminals depends on the manner in which the circuit is designed. By way of example, terminal 114 may be an RF output terminal, while terminal 116 may be an RF input terminal. In this case, when the switching assembly 300 is placed in an on-state, the switching assembly functions in the manner just described except that the RF signal travels from the input terminal 116 to the output terminal 114.
스위칭 조립체(200)는 입력 및 출력 단자(114 및 116)가 서로 인접하게 제조되는 것을 제외하면, 스위칭 조립체(200)와 유사한 방식으로 제조될 수 있다. 또한, 공통 고정구(136)가 전기 도전성일 필요가 없거나, 적어도 CPW(112)에 접속될 필요가 없기 때문에, 공통 고정구(136)는 스프링 고정구(138)를 가지는 패시베이션 층상에 직접적으로 형성될 수 있다(도6k1 참조). 또한, 단락 바아(332)를 제외하면, 스위칭 부재(106)는 비 전기 도전성 재료로 구성되거나, 적어도 금 만큼 도전성을 가지지 않는 전기 도전성 재료, 예로써, 폴리머로 구성될 수 있다. 이 방식으로, 이 이외의 경우에, 전기 도전성 스위칭 부재에 의해 생성되게 되는 소정의 RF 인터페이스가 제거된다. The switching assembly 200 can be manufactured in a similar manner to the switching assembly 200 except that the input and output terminals 114 and 116 are made adjacent to each other. Also, since the common fixture 136 need not be electrically conductive or at least need not be connected to the CPW 112, the common fixture 136 can be formed directly on the passivation layer with the spring fixture 138. (See Figure 6k1). In addition, except for the shorting bar 332, the switching member 106 may be made of a non-electrically conductive material, or may be made of an electrically conductive material, such as a polymer, which is at least as conductive as gold. In this way, in other cases, the predetermined RF interface to be generated by the electrically conductive switching member is eliminated.
비록, 본 발명의 특정 실시예를 예시 및 설명하였지만, 이는 본 발명을 양호한 실시예에 한정하기 위한 것은 아니며, 본 기술의 숙련자는 본 발명의 범주 및 개념으로부터 벗어나지 않고, 다양한 변경 및 변용을 달성할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 개념 및 범주내에 포함될 수 있는 대안, 변형 및 등가체를 포함한다.Although specific embodiments of the present invention have been illustrated and described, it is not intended to limit the invention to the preferred embodiments, and those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the scope and concept of the invention. I will understand. Accordingly, the invention includes alternatives, modifications and equivalents as may be included within the spirit and scope of the invention as defined in the claims.
Claims (44)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR10-2004-7019181A KR20050020965A (en) | 2002-05-29 | 2003-05-09 | Spring loaded bi-stable mems switch |
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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| KR10-2004-7019181A KR20050020965A (en) | 2002-05-29 | 2003-05-09 | Spring loaded bi-stable mems switch |
Publications (1)
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ID=41784191
Family Applications (1)
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| KR10-2004-7019181A KR20050020965A (en) | 2002-05-29 | 2003-05-09 | Spring loaded bi-stable mems switch |
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