KR20050102073A

KR20050102073A - 다형 액츄에이터 및 정전 래치 메카니즘을 구비한 미세조립릴레이

Info

Publication number: KR20050102073A
Application number: KR1020057002398A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 제이. 하이맨; 마크 케이. 하이맨; 피터 디. 바그댄오프
Original assignee: 엑스컴 와이어리스, 인크.
Priority date: 2005-02-11
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2005-10-25

Abstract

본 발명은 마이크로머신드 스위칭 소자를 개발함에 있어 메커니즘들을 홀딩하는 정전 상태를 갖는 다형 액츄에이터 요소들의 기능적 조합을 통합한 새로운 타입의 릴레이이다. 이 요소들의 조합은 높은 의존성과 낮은 파워 소비를 갖는 미세조립 릴레이에서 제로-파워 정전 캐퍼시티 래칭을 갖는 하이-포스(high fore) 다형 액츄에이터들의 잇점들을 제공한다. 릴레이 발명의 오퍼레이션은 근본적으로 소자에 몇 개의 안정한 상태들; 즉 파워를 사용하지 않는 패시브 상태, 약간의 파워를 갖는 다형 액츄에이터를 작동하는 액티브 상태, 그리고 기본적으로 파워를 필요로 하지 않는 스위치 상태를 정전기적으로 홀딩하는 래치드 상태를 가능하게 한다. 본 발명에 의한 다형 액츄에이터들은 압전, 써멀(thermal), 버클링 다형 액추에이션 메커니즘을 포함하나다. 이 소자들은 캔틸레버 혹은 고정된 빔(beam) 배열상태에서 하나 혹은 그 이상의 일련의 액츄에이터를 이용하고 상태 홀딩을 위하여 하나 혹은 그 이상의 세트의 정전 래치 전극를 사용한다.

Description

다형 액츄에이터 및 정전 래치 메카니즘을 구비한 미세조립 릴레이{ Microfabricated relay with multimorph actuator and electrostatic latch mechanism}

이 장치를 묘사하는 잠정적인 효능의 특허는 2000년 10월 27일에 출원된 60/243,786이며 본 출원과 같은 내용을 담고 있다. 관련된 장치를 묘사하는 다른 하나의 출원은 60/243,788으로서 이 또한 2000년 10월 27일에 출원되었으며 그 제목은 다형 액추에이터와 정전 래치 메커니즘을 갖는 미세조립 더블 드로우 릴레이다. 이 2개의 잠정적인 효능의 발명들 각각은 본 발명의 특성(aspect)과 관련이 있어서 여기에 레퍼런스로 포함시킨다.

본 발명에 이르게하는 연구나 개발의 어느 것도 연방정보에서 보증하지는 않았다.

본 발명은 스위칭 소자(Switching device )의 일반 분야, 좀 더 정확하게는 미세조립 릴레이에 관한 것이다. 미세조립 스위칭 소자의 기본 개념이 1979년에 피터슨에의하여 고안되었기 때문에 파워와 높은 주파수(frequency)를 갖는 출원(applications )에 관한 스위치와 릴레이를 개발하는데 많은 시도들이 있었다.

이 작업의 목적은 , 기계장치의 부분으로서 , 소형의 배치-조립(batch-fabricated)되고, 석판에 묘사되는(photolithographically-defined), 이동 가능한 구조를 이용한 비용에 있어서의 효율성과 스위칭의 퍼포먼스를 증진시키기 위함이다.

미세조립 전자기계적 시스템( MEMS)은 종래의 발명에 의하여 제조된 스위칭 소자보다 긴 수명, 낮은 코스트, 작은 사이즈, 그리고 빠른 스피드를 약속한다. 그리고 고체상태의 소자들보다 높은 퍼포먼스를 제공한다. 많은 출원에 있어서, 특히 높은 퍼포먼스 기구(instrumentation), 자동 테스트 소자, 레이더, 그리고 커뮤니케이션 시스템에서, 어떤 특성들을 갖는 스위칭 소자들이 요구되거나 선호된다

특정값들은 본 출원에 의하여 변할 수 있고, 본 발명의 상세한 설명에서 적정하게 양적화되어질 수 있다.

1) 부하 신호들로부터 제어신호를 격리하는, 기능적으로 스위치 보다는 릴레이

2) 릴레이 전극(electrode)사이의 저저항 오옴접촉들(ohmic-contacts)

3) 저전력을 이용한 릴레이 개방 /폐쇄우즈(Open/Close) 상태를 움직임(toggle)

4) 제로값 (zero)혹은 저전력으로 특정한 릴레이 개방 /폐쇄 상태를 유지

5) 높은 정밀도와 저코스트의 제조

6) 릴레이 접촉들의 고속 스피드, 큰힘의 기계적 폐쇄( mechanical closure)

7) 릴레이 접촉들의 고속 스피드, 큰힘의 기계적 개방(mechanical opening)

8) 제어 신호와 동작특성을 얻기가 용이함.

이러한 잇점들을 얻기 위하여 많은 스위칭 장치 개발 노력들이 있어왔다. 그러나 그 어떠한 노력도 이 모든 것을 성공하지는 못하였다. 선행 기술에 있어 스위칭 소자의 고안들은 크게 2개의 주요한 소자카테고리; 즉, 정전 활성 메커니즘을 갖는것들 과 바이모프(bimorph) 활성 메커니즘을 갖는 것들에 관하여 논의될 수 있다. 활성 또는 액추에이팅 메커니즘들 각각의 타입은, 상기 언급된 모든 바람직한 특성들을 얻는 것을 선행 고안(prior designs)들이 얻는 것을 방해하는 물리적인 제한들과 아울러, 고유의 특성과 잇점들을 가지고 있다.

정전기적으로 활성화된 소자들(electrostatically actuated devices)은 전압이 적용되는 2개 (혹은 그 이상 )의 바이어스 전극(electrode)를 갖는다. 대향 전하들은 마주보고 있는 전극들의 표면에서 발생하고, 정전기 힘이 생성된다. 만일 바이어스 전극들이 서로 서로에게 대하여 편향시키게되면(deflect) 액추에이션 또는 활성화가 가능하다. 정전기적으로 활성화된 소자에 있는 스위치 혹은 릴레이 접촉 전극들은 기계적으로 이러한 움직이는 바이어스 전극들과 짝을 이룰수 있다. 이리하여 접촉 전극들은 전압이 적용되거나 제거됨에 따라 , 함께 꼼작 못하게 되거나(mate together) 분리될 수 있다.

정전기적으로 활성화는 본질적으로 묘사된 많은 동작특성들을 지지하고 , 그 결과, 스위치와 릴레이를 위한 가장 폭넓게 실험된 MEMS 활성 메커니즘이다. 정전 액츄에이터들은, 낮은 저항들은 획득하기 어렵지만, 오옴접촉(Ohmic-contact) 릴레이들과 스위치를 가능하게 한다. 그 것들은 효과적으로 상태들을(states) 움직이게 하는 제로 파워(zero power)와 효과적으로 상태들을 유지시키는 제로파워들을 요구한다. 연구자는 정교한, 낮은-코스트의 정전 액츄에이터들 개발하는 미세조립 테크닉을 가질 수 있다. 이러한 액츄에이터들은 빠른 스피드를 제공할 수는 있다. 그러나 높은 폐쇄력(high closure foce)는 실현하기 어렵다. 그리고 높은 개방력(opening forces)를 개발할 (developing)수는 없게 한다.

이 액츄에이터들은, 전형적으로 ( 1 mA미만) 구동 전류(drive currents)가 무시될 수 있지만, 최근의 집적회로(integrated circuit)의 전형인 (10볼트 미만의) 낮은 구동 전압(drive voltages)를 가지고는 설계하기 어렵다.

문헌은 저전력을 이용하여 작은 활성화 힘을 나타내는(demonstrating) 정전 MEMS 스위치 및 릴레이들의 많은 예들을 포함하고 있다. Loo, et al., 등의 미합중국 특허 6,046,659는 재료 응력 컴펜세이션에 관한 절연체- 메탈-절연체 스택(stack)을 갖는 더블접촉 캔틸레버 MEMS 릴레이의 전형적인 예를 묘사한다. 다른 캔틸레버 MEMS 디바이스들은 yao, et al., 등의 미합중국특허 No. 5,578,976의 릴레이와; Buck 의 U.S. Pat. No. 5,258,591의 스위치 와 같은 향상된 퍼포먼스에 대하여 다른 접촉 메탈들을 갖는다. James등의 U.S. Pat. No. 5,479,042는 제조를 향상시키는 범프(bumps)를 통합하는 더블 접촉 릴레이들을 가진다. Zavracky의 U.S. Pat. No. 5,638,946은, 견고한 금속 스위치들에서 한 그의 초기 작업 후에 고정된 전극들을 바이어싱(biasing) 함으로써 분리시켜 액추에이션에 대하여 새로운 요소를 부가한다.

또한 상기 문헌들에 의하면 Milanovi등에 의한 스위칭 소자 작업을 포함한다. 여기에서 소자들은 향상된 고주파(hogh-frequency) 신호 스위칭을 위하여 하나의 기질(substrate)에서 또 다른 하나의 기질로 이전되어 간다.

더 큰 신호 부하(loads)에서 ,전형적으로 사이즈, 스피드 그리고 신뢰성(reliability) 을 희생하여 소자의 사이즈와 힘을 증가시킴으로써 , 퍼포먼스를 향상시키기 위한 여러가지의 주목할 만한 시도들이 이루어져 왔다. 전형적인 한 예가 Lee의 ,이전에 언급되었던 노력들보다 더 크고 강력한 크기의 구리(copper) 소자를 갖는, U.S. Pat. No. 6.054,659 이다 . Komura등과 Hah등의 것 또한 적당한 신호 로드에 대한 발달된(developed) 밀리미터 사이즈의 두개의 접촉 정전 MEMS 릴레이들을 가지고 있다. Goodwin-Johansson의 U.S. Pat. 6.057,520에 의한 소자는 ; 소자가 열리고 닫힘에 따라 전극들의 접촉저항을 변화시킴에 의하여 핫-스위치(hot-switch) 조건에서 아칭(arcing)을 감소시킨다.

일부 정전 MEMS 스위칭 소자들은 소자사이즈, 접촉포스, 그리고 종종 제조에 있어서 문제점들을 희생하여 구동 전압 요구들을 낮추도록 설계되어 왔다. Shen등과 Pacheco 는 바이어스(bias) 전극 사이즈와 전기자(armature) 유연성 을 증가시킴으로써 전압요구들을 감소시켜왔다. Ichiya등의 U.S. Pat. No. 5,544,001은 구동 전압을 감소시키기 위하여 계단모양의 경사진(sloped) 기질 바이어스 전극의 새로운 이용을 포함한다.

일부 정전 MEMS소자들은, MEMES 소자들에서 전형적으로 발견되는 편향된 스프링들의(deflected springs) 수동적인 복원력(passive restoring force)와 비교할 때 증가된 스피드와 힘(force)을 갖는 소자를 여는(open) 바이어스 전극들의 세트로 설계되어 왔다. Hah등이 그 전형적인 예로 릴레이들을 열리게 하기 위하여 바이어스 전극들을 대치시켜 놓음으로써(opposing) 토셔널 (torsional )스프링의 복원력을 결합한다. Kasano등의 U.S. Pat. No. 5,278,368은 전체의 전압요구들을 감소시키는 신규의 임베디드 일렉트릿(embedded electrets )뿐만 아니라 구동- 오픈(drive- open) 전극을 가진 더블-접촉 MEMS를 기술한다.

정전 액츄에이터들과는 다르게 바이모프(Bimorph) 액츄에이터들은 제어 신호들을 변환하여 액츄에이터 그 자체안에서 메카니컬 변형(mechanical deformation ) 케 한다. 바이모프 또는, 좀더 일반적으로는, 다형(multimorph)) 액츄에이터들은 특정의 자극들(stimulus)에 다른 물리적인 반응들을 보여주는 층(Layers)들로 이루어진다. 예를 들면, 써멀 바이모프는 높은 열확장 계수(10ppm/℃ 위)를 같는 첫번째 레이어와 낮은 열 확장 계수( 5ppm/ ℃ 아래)를 갖는 2번째 레이어를 가질 수 있다. 이 바이모프가 온도의 상승에 노출되어 있을 때 첫번째 레이어의 상대적인 팽창은 두번째 레이어에 대한 직접 접촉에 의하여 제한된다. 그리고 액츄에이터는 반응하여 비틀리게 된다.(curls). 소자들은 작업을 수행하는 이 비틀림(curl)을 갖는다 그리고 바이모프에 의하여 생성된 힘들은 정전 액츄에이터들에 의하여 얻을 수 있는 것보다 더 많을 수 있다.(higher)

또한, 바이모프는 본질적으로 상기 언급된 많은 동작 특성들을 지원하고 그 결과 , 스위치들과 릴레이들에 대하여 두번째로 가장 폭넓게 실험되었던 MEMS 액츄에이터 메커니즘이다. 그것들은 오옴접촉(Ohmic-contact) 소자들에서 사용될 수 있다. 그리고 바이모프 액츄에이터들에 의하여 생성된 높은 힘들은 낮은 접촉저항을 일으킨다. 그것들은, 비록 오직 어떤 특정의 형태의 바이모프들만이 저전력 래칭상태(state latching)을 허용하지만, 작은 힘을 가지고 활성화하여 상태들(state)을 움직이게(toggle) 설계될 수 있다. 바이모프 액츄에이터들은 빠른 스피드와 높은 페쇄력(closure force)를 제공할 수 있게 만들어 질 수 있다. 그리고 유사하게 높은 개방력과 스피드를 제공하게 설계될 수 있다. 몇 개의 타입의 바이모프 액츄에이터들은 또한 낮은 구동 전압들과 낮은 구동 전류(currents)들을 가지고 설계될 수 있다.

바이모프 액추에이션 메커니즘을 갖는 대부분의 스위칭 소자들은 압전기적(piezoelectric) 바이모프 액츄에이터들을 선택하여 파워 소비를 낮추고, 그러한 소자들은 전형적으로 전에 언급된 많은 바람직한 특성들을 보여준다. 그러나. 압전 물질들(materials)과 연관된 제조의 어려움들 때문에 거의 (few) MEMS노력들은 압전 바이모프 액츄에이터들에 대한 연구는 되어온 것이 없다. 부가적으로 압전 바이모프들의 엑추에이션은 전형적으로 히스테리시스와(hysteresis)과 디그레데이션(degradation)를 방지하는 복잡한(complex) 높은 전압파형을 요구한다. Farrall의 U.S. Pat. No. 4,620,123은 메탈 압전-메탈 트리-레이어(tri-layer) 액츄에이터들의 스위칭 디바이스 피쳐링(featuring) 배열(array)에 대하여 언급한다. Kornrump의 U.S. Pat. No. 4,819,126 은 변화하는 신호 부하들(loads)을 조절하기 위하여 중앙 앵커(anchor) 지역부터 연장되는 (extending) 일련의 압전 바이모프 액츄에이터들을 개발하였다. Kornrump의 U.S. Pat. No. 4,916,349는 또한 압전 바이모프 그 자체안에서 잔여 극성(residual polarization)을 변화시킴에 의하여 상태들을(states) 거는 (latches) 압전 릴레이를 또한 개발하였으며, 이는 조절이 가능한 제로-파워 패시브 래칭을 가능케한다. Tanaka 의 U.S. Pat. No. 4,403,166은 대립하는 (opposing) 캔틸레버 압전 바이모프들로 이루어진 소자들을 개발하였으며, 이는 많은(large) 폐쇄력과 트래벌(travel)을 발생시켰다. 이 소자들의 모든 것은 전통적인 방법들에 의하여 제조되었다. 그리고 모든 혹은 많은 압전 재료 제한들을 특징하였다.

대부분의 미세조립 바이모프 액츄에이터들은 제조와 구동 신호 제너레이션의 용이 때문에 써멀 바이모프들을 갖는다. 그러한 소자들은 전형적으로 액티브 상태를 유지하는 일정한 힘의 인가(application) 을 요구하고, 종종 열전달 현상을 기초로 한 스피드 제한을 갖는다. Field등의 U.S. Pat. No. 5,467,068은 복합의(multiple) 새로운 접촉 구조를 갖는 쌓여진 기질들(stacked substrates)을 갖는 일반 목적의(General purpose) 써멀 바이모프를 개시한다. Norling의 U.S. Pat. No. 5,463,233은 ,온도를 감지하기 위하여 복합의 접촉 전극들과 정전 바이어스 전극를 갖는 온도에 민감한 릴레이를 갖는다. Carr의 U.S. Pat. No. 5,796,152는 , 큰 사이즈, 스피드, 그리고 파워의 사용을 희생하여 패시브 메카니컬 래칭(passive mechanical latching)을 할 수 있는 대립되는(opposing) 바이모프들의 처리된 세트(engineered sets)들로 이루어진 릴레이들 개발하였다.

Gevatter등의 U.S. Pat. No. 5,666,258에 의한 MEMES 릴레이들과 Schlaak 등의 U.S. Pat. Nos. 5,629,565와 5,673,785는 소자의 클로징 액션(closing action)에서 피에조일렉트릭 바이모프 액츄에이터가 정전 바이어스 전극들을 통합하여 돕는, 바이모프와 정전 엑추에이션을 함께 특징한다. 그러한 소자의 잇점은, 적당한 릴레이 기능성(functionality)을 위하여 양쪽의 액추에이션 매카니즘의 동시 드라이빙(simultaneous driving) 의 요구 그리고 증대되는 복잡성이라는 페널티를 부담하고 폐쇄력에서의 상승과 구동 전압에서의 감소이다.

상기에 언급된 것들을 포함하여 많은 연구인들과 그룹들에 의한, 표현된 오랫동안 느껴온 필요성과 액티브하고 넓은 범위의 노력들에도 불구하고, 최종 성과소자들 (resulting devices)중의 어느 것도 기계소자, 레이더 그리고 커뮤니케이션 시스템들을 위한 높은 퍼퍼먼스의 신호 스위칭을 위한 모든 바람직한 특징들을 구현하지 못한다. 여기에 개시된 발명은 조합의 (associated) 단점들과 제한들이 거의 없는 이 특성들의 각각을 얻은 최초의 소자이다.

도 1. 6 그리고 11을 제외한 모든 첨부된 도면은 단면도이다. 물질들(materials)의 호칭은 기능적인 크로스- 해칭(cross-hatching), 간결한 블랙 보더(borders) 그리고 각 요소들의 수치표시를 통하여 이루어진다. 흰색의 혹은 두꺼운 크로스-헤칭에 나타난 모든 요소들은 전기적으로 절연된 물질을 나타낸다. 가는 크로스-해칭된 형태는 전기 유도체 물질(electrical conductors)을 나타낸다. 모든 요소들에 대한 크로스-해치된 형태들은 명확성과 일관성을 위하여 도면 1,6 그리고 11의 평면도( plan-view illustration)에 계속된다. 반도체 물질들은 선택적인 구체화에 사용되어 반도체의 도핑 레벨(doping level)에 의존하는 묘사된 반도체 그리고/또는 절연체를 제조하는데 사용될 수 있다.

제 1도는 단면 라인을 갖는 발명의 하나의 구체화의 평면 일러스트레이션으로서 이렇게 봄으로써 명확해 지고 대쉬로된(dashed) 아웃라인에 나타난 탑 표면 아래 묻힐 수 있는 많은 요소들을 제공한다. 제 1도의 단면은 제 2A도 그리고 3A도로서 이는 부하 전기하와 액츄에이터 전기자를 도시한다. 제 4도는 다형 액츄에이터의 지역에 있는 전기자의 투시 개략도를 묘사하며 일렉트리컬 커넥션들 사이의 관계들을 나타낸다. 5A와 5B는 각각, 열린 그리고 닫힌 릴레이 상태에 있어 래칭 그리고 접촉 메커니즘을 갖는 릴레이 지역의 투시도를 보여준다. 접촉 전기자의 굽은(bending) 기능은 제 5B도에 나타나며., 이는 릴레이가 완전히 다딘 래치드된 상태에 (latched state)있슴을 묘사한다.

2A, 2B, 그리고 2C는 장치의 3개의 오퍼레이션 상태에서 부하 전기자의 단면도를 나타낸다. 2A도는 릴레이가 패시브 상태에 있을 때의 부하 전기자가다. 2B도는 릴레이가 액티브 상태로 작동될 때 전기자에 유도된 뒤틀림(cavature)을 나타낸다. 2C도는 래치드 상태 일 때 릴레이에 유도된 뒤틀림을 나타낸다.

3A, 3B 그리고 3C는 장치의 동일한 3개의 오퍼레이션 상태에서 피에조 일렉트릭 다형 액츄에이터 전기자의 투시도를 나타낸다. 3A도는 릴레이가 패시브 상태일 때 액츄에이터 전기자가다. 3B는 릴레이가 액티브 상태로 되었을 때 액츄에이터 전기자에 유도된 뒤틀림이다. 전기자 전극 접촉은 3C에 나타나며 이는 래치드 릴레이 상태일 때 액츄에이터 전기자에 유도된 가능한 뒤틀림을 나타낸다.

제 6도에서부터 제 10도까지는 선택적인 구체화이다. 제 6도는 기본적인 액츄에이터로서 써멀 다형을 갖는 구체화의 기능적인 플랜-뷰 일러스트레이션이다. 제 6도에 따라 보여지는 투시는 7A와 8A도이고 이는 각각, 부하 전기자의 투시도와 써멀 다형 액츄에이터 전기자를 나타낸다. 제 9도는 다형 액츄에이터의 지역에서 전기자의 투시도를 묘사한다. 유사하게 ,이전의 구체화에 대한 5A도와 5B를 갖는 것처럼, 10A도와 10B도는 각각 열리고 닫힌 릴레이 상태에서 래칭과 접촉 메커니즘을 갖는 릴레이 지역의 투시를 보여준다.

7A,7B 그리고 7C는 소자의 3개의 오퍼레이션 상태에서 부하 전기자의 투시도를 나타낸다. 7A는 릴레이가 패시브 상태일 때 부하 전기자가다. 7B는 래치드 상태일 때 릴레이에 유도된 뒤틀림을 나타낸다.

8A, 8B,그리고 8C는 소자의 동일한 3개의 오퍼레이션 스테이드에서 써멀 다형 액츄에이터 전기자의 투시도이다. 8A는 릴레이가 패시브 상태일 때 액츄에이터 전기자가다. *B는 릴레이가 액티브 상태로 된 때의 액츄에이터 전기자가다. 전기자 전극 접촉은 8C에 보여지며 이는 래치드된 릴레이 상태일 때 액츄에이터 전기자에 유도된 가능한 뒤틀림을 나타낸다.

릴레이 발명이 또 하나의 구체적인 예에서, 릴레이는 제 11도에 묘사된 것처럼 멀티플 액츄에이터 전기자 구조들로 이루어질 수 있다. 이 릴레이는 액츄에이터 전기자가 부하 전기자와 수직으로 된 상태로 보여진다. 다른 수의 액츄에이터 전기자들 혹은 부하 전기자를 갖는 그러한 형상들은(configuration) 당 분야의 전문가들의 결정에서 많이 보여진다. 제 12도는 이 구체화의 부하 전기자의 투시도를 나타낸다.

13A, 13B, 13C, 그리고 13D는 이 구체화의 4개의 오퍼레이션 상태들에서 릴ㄹ이의 액츄에이터 전기자의 투시도를 묘사한 것이다. 각 도면은 , 접촉 전극들의 주변의 접촉 전기자 지역 뿐만 아니라 , 소자를 닫는 액추에이션에 필요한 써멀 액츄에이터 전기자 와 소자를 여는 액추에이션에 필요한 것들을 묘사한다. 13A도는 릴레이가 패시브 상태일 때 액츄에이터 전기자를 묘사한다. 13B는 릴레이가 액티브 상태로 되었을 때 액츄에이터 전기자에 유도된 뒤틀림(curvature)을 나타낸다. 13C는 래치드 상태일 때 액츄에이터 전기자를 나타낸다. 13D는 하나의 전기자가 구동 오픈 상태로 되었을 때 액츄에이터 전기자를 나타낸다.

본 발명은 마이크로머신드 스위칭 소자의 개발에 있어서 정전 상태를 홀딩하는 메커니즘을 갖는 다형 액츄에이터 요소들의 기능적인 조합을 통합하는 릴레이의 새로운 타입에 관한 것이다. 요소들의 조합은 높은 의존성(reliability ) 와 낮은 파워 소를 갖는 미세조립 릴레이들에 있어 제로-파워 정전 캐퍼시티브(capacitive) 래칭을 갖는 하이-포스(hogh-force) 다형 액츄에이터들의 잇점들을 제공한다. 아래에 , 처음으로 액츄에이터 기술들의 기능적 조합에 대하여 논하고 그리고 나서 본 발명의 여러가지 뚜렷한 구체화들의 상세한 논의를 계속한다.

릴레이는 부하 신호 경로(path)로부터 분리된 제어 신호 경로를 갖는 부가적 특징이 있든 스위칭 소자이다. 그러한 소자는, 민감한 부하 신호( 데이터 스트림(stream) 혹은 테스트 소자 신호 ) 의 집적도 또는 인테그러티(integrity)를 감소시키는(degrade) 플럭츄에이션(fluctuation) 과 불규칙(irregularities)들을 가질 수 있는, 변화되는 또는 민감한 신호들을 제어 신호들로부터 간섭이 없이 스위칭하는 것을 가능하게 해준다. 이는 또한, 일부 형태(some form)에 있어 위험할 수 있는; (예컨데) 제어 신호 경로들과 방응하는 것이 허락되면 높은 전압 혹은 높은 전류 부하 신호은 제어 일렉트로닉스들을 오버로드(overload)할 수 있다;, 응용(application)에 있어 제어 일렉트로닉들(electronics)을 보호한다.

RF 파워는 캐퍼시티브 혹은 인덕티브 커플링(inductive coupling)때문에 완벽하게 함유될 수 없기 때문에 , 무선 주파수 소자들은 종종 신호 로드들로부터 제어 일렉트로닉스들의 높은 분리(high isolation)를 요구한다. 대개의 릴레이들은 부하 신호 회로(load signal circuit)가 1) 열린 또는 2)닫힌지의 여부를 규정하는(defining) 2개의 안정한 오퍼레이션 상태를 갖는다. 그러한 소자는 직류(direct current), 낮은 주파수(frequency) 그리고 무선 주파수 응용들 그리고 산업 관심(industry interest)을 입증하는(attest) 릴레이들의 미세조립 버전(version)들을 창조하는 많은 노력들에서, 폭넓은 다양한 응용들에 있어 유용한 구성요소(component)를 형성(form)한다.

다형 액추에이션 메커니즘들은 적당한 파워 요구들(계속적인 오퍼레이션을 위하여 필요한 수십 μW에서부터 수십 mW ) 을 갖는 적절한 거리들( 수십 mW에서부터 mm의 전기자 편향)을 넘는(over) 빠른 스피드( μsec에서 msec 액추에이션 타임들)들에서 상대적으로 높은 포스 (forces)들( mN에서 N의 켄택트 포스들)을 발생시키는 그들의 능력 때문에 수십년동안(for decades) 스위칭 소자들에서 특징을 이루어 왔다. 다형 액츄에이터 기술은 이 발명에 사용되어 전기적 부하 신호 접촉들을 신뢰성있고, 브레이크(break) 하기 위한 적절한 접촉력들을 생성한다. 그러나, 다형 액츄에이터 기술들은 배경 섹션에서(section) 논의된 여러가지 중요한 불리한점(disadvantage)들을 가질 수 있다. 예를 들면 몇 몇 기술들은 유지하기(maintain) 위한 일정한 파워를 필요로 하는 반면; 액츄에이터 드리아브 신호 혹은 릴레이 상태가 연장되는 기간( 수초에서 수년 )동안 유지되면 다른 것들은 약화(weakening), 언릴라이어빌러티(unreliability), 혹은 실패(failure) 를 나타낸다.

바람직하지 않은 속성들을 피하기 위하여 본 발명은, 릴레이 상태를 홀딩하기 위하여 낮은 파워, 비-파괴의 대안(non-destructive alternative)을 재공하기위하여 다형 액츄에이터를 갖는 2차 메커니즘과 결합한다. 정전 액추에이션은 ,그의 낮은 파워 소비(nW to μW) 그리고 빠른 클로우저 타임들( 100nsec to 100msec)때문에, 미세조립 액츄에이터 커뮤너티에서, 오랜동안 핵심기술이었다. 이 소자들에 전형적인 힘들( 1 μN to 0.5mN) 그리고 액츄에이터 트래벌 거리들 ( 1 to 10mm ) 은 매우 한정된다, 그러나 대개의 정전 릴레이 노력들은 , 릴레이 인서션(insertion ) 로스(loss) , 릴라이어빌러티( 접촉 포스와 함께 관련된), 아이솔레이션, 그리고 고립된(standoff) 전압(함께 갭 세퍼레이션(gap separation)과 관련된)의 조건에서 적절하게 바치된다.

본 발명은, 2개의 액추에이션 기술들의 결합하여 각각의 잇점들을 활용하였기 때문에 , 선행의 미세조립 릴레이들 보다 우수하다. 본 발명에서 정전 액츄에이터는,상대적으로 파워풀한 다형 액츄에이터에 의하여 수행된 상태를 얻는데 요구되는 대부분의 작업을 갖는, 하나의 상태에서 소자를 홀딩하는데 이용된다.

그러한 조합에 있어서 각 액츄에이터의 잇점들이 실현되고 각각의 불리한 점들은 제거된다.

본 발명은 토탈 폭과 길이가 10mm에서 10mm인 전체 플래너 디멘젼들 (planer dimensions ) 을 갖는 미세조립 릴레이들에 대하여 설명한다. 특정의 설계를 위하여 선택된 플래너 디멘젼들은 기본적으로, 이미 규정한 범위에서, 요구되는 스피드와 스위치되는 신호 로드의 파워 레벨에 의존한다. 빠르거나 혹은 매우 빠른 스위칭을 요구하는 소자는 주어진 사이즈 레인지(range)의 낮은 끝(low end)에서 설계되는 반면에 높은 그리고 매우 높은 신호 로드들을 핸들링하는 소자들은 제안된 레인지들의 높은 끝(high end)에 가까운 사이즈들을 가진다.

[038] 본발명에 따른 그리고 낮은 신호 로드에서부터 적당한 신호 로드들을 갖는 그리고 적당한 스위칭 스피드들로부터 빠른 스위칭 스피드들의 이용으로 시도된 소자는, 75 μm에서부터 1.5mm 사이에 플래너 디멘젼들을 가질수 있다. 그러한 디멘젼들은 미디엄-레인지 와이어리스 커뮤니케이터들, 트랜스미트 패이즈드-어레이(phased-array) 안테나 일렉트로닉스, 혹은 일반 통신 스위칭 애플리케이션들에 적당할 수 있다. 그 것은 높은 혹은 매우 높은 신호 부하 스위치가 요구되는 곳 또는 좀 더 느린 스피드들이 허용가능한 ,일반적인 목적의 산업 릴레이들 혹은 높은 파워 RF시스템들과 같은, 응용들(applications)에서 시도되고 본 발명에 따른 소자들의 전체 플래너 디멘젼들은 0.5에서 10 mm사이가 될 수 있다. 더 나아가 그 응용들은 , 짧은 거리의(short-range) 와이어리스 커뮤니케이션, 안테나 리시버 일렉트로닉스, 혹은 몇몇의 자동화된 테스트 소자와 같은, 10에서 150mm사이에 플래너 디멘젼들을 갖는 본발명에 따른 소자들을 요구할 수 있든 빠른 스피드를 요구하는 가벼운 혹은 매우 가벼운 신호 로드들을 갖는 응용들에 시도된다. 이 레인지의 전체 프래너 릴레이 길이와 넓이의 각각은 본 발명의 적용에 있어서 기대되는 것이 합리적으로 고려된다. 그 것은 더 나아가 동일한 소자에 대한 높은 신호 로드들과 빠른 스위칭 스피드들의 반대되는 요구들이 필요한 적용들이 제안된 레인지들에서 어느곳에서라도 플래너 디멘젼들을 로 시도되는 것이 요구될 수 있는 것이 인식된다.

상세한 설명을 통하여 특정의 신호 부하 혹은 스위칭 스피드를 규정하는 적용들을 위하여 요소들에 대한 사이즈들과 가능한 물질들이 제시되어 왔다. 본 발명에서 시도된 하나의 적용에 대한 기하학적 선택과 물질의 하나의 구체화를 연구하는 것이 유익할 것으로 여겨진다. 적당한 스위칭 스피드들을 혀용하는 낮은 신호 로드들을 갖는 적용들을 고려하라, 그리하여 최초의 구체화는 본 발명의 적용에서 하나의 가능한 시도(design) 을 보여준다. 이 구체화는 그림 1-5에 나타난다.

도 1은 본 발명의 일반적 수준의 구체화들중의 하나의 기능적인 평면도(plan-view schematic) 이다. 여기에서 하나의 캔딜레버 부하 전기자와 하나의 캔딜레버 액츄에이터 전기자는 대향 단부(opposing end)에서 자유롭게 편향되고(free to deflect) 공통단부(common end)에 고정된다. 이 자유단들은 접촉 전기자의 방법에 의하여 함께 기계적으로 커플링된다. 도 1은 소자안에 묻힐수 있는 일렉트리컬 커넥션과 전극들과 같은 요소들이 묘사되었기 때문에 진정한 평면도가 아니다. 고정된 요소들이 투명한 물질들로 만들어 졌고, 컨덕터들(conductors)이 소자를 통하는 사이트(sight)의 라인 을 막으면 도 1에 제공된 도면은 정확할 것이다. 요소들은 평면도에서 조차 일관된 크로스-해칭으로 보여지고, 표면 아래의 요소들은 솔리드 아웃라인(solid outline)과 함께 보다는 대시드 아웃라인(dashed outline)과 함께 보여진다.

도 1에 보여지는 2개의 단면도는 (cross-section) 그림 2A와 2B이고 이는 부하 전기자와 액추에이터 전기자를 각각 나타낸다. 그림 4는 다형 액츄에이터의 일반적인 지역에 있는 전기자들의 단면도로서 전기적 연결과 절연체들을 나타낸다. 도면 5A와 5B는 각각 열기고 닫힌 릴레이 상태에서 래칭과 접촉 메커니즘들을 갖는 지역의 단면도를 나타낸다. 접촉 전기자의 벤딩(bending)은 그림 5B에 나타나며 이는 릴레이가 완전히 닫힌 래치드 상태에 있음을 묘사한다..

릴레이 발명의 한가지 측면은 전기자(armatures)들의 기능성 그리고 각자가 부하 신호 그리고/또는 제어 신호의 트랜스미션에 필요한가의 여부 이다. 논의된 각 요소들의 위치와 기능을 표시하기(note) 위한 측면도 뿐만 아니라 평면도도 검토하는 것이 유익할 수 있다. 고정된 베이스(101)은 견고하고 집적된(integral)한 지역으로,함께 고정되어 기계적인 힘을 제공할 수 있는, 수 많은 반도체, 금속, 혹은 유전체 요소들로 이루어 질 수 있다. 고정된 베이스의 전체 사이즈는 부착되는 릴레이의 최대 사이즈와 그것의 부하 신호 조절 능력을 명확하게 함을 도울 수 있다. 베이스 기판(102) 는 고정된 베이스의 한 부분으로 이루어지며, 유리, 폴리아마이드 혹은 다른 폴리머, 알루미나, 쿼츠(quartz), 갈리움 아세나이드 혹은 실리콘과 같은 ,하나 혹은 그 이상의 마이크로패브리케이션-가능한 유전체 혹은 반도체 물질를로 이루어질 수 있다. 이 구체화에서 베이스 기판은 각 플래너 디멘젼에서 250mm의 두깨와 1mm인 광택이 나는 쿼츠이고 이는 자동 제조, 패키징 혹은 시스템 삽입(insertion)을 용이하게 하는 데 충분히 큰 미세조립-성질(quality) 물질의 고정 베이스를 제공한다.

이 고정된 베이스에 부착되는 것은 첫번째 부하 신호 라인(103) 과 두번째 부하 신호 라인(104)으로서 소자에 의하여 스위칭되는 신호의 인풋과 아웃풋의 전기적 경로(electrical paths)들을 나타낸다. 고정된 베이스에 또 부착되는 것은 첫번째 구동 신호 라인(105)와 두번째 구동 신호 라인(106)이고 이는주어진 소자를 액추에이션 하는 구동 신호이다. 본 발명에 따른 많은 소자들에서 구동 신호 라인들은 전기적 경로들(electrical patns)일 것이라는 것이 상상된다. 부가적으로 고정된 베이스에 부착된 것은 첫번째 래치 신호 라인(107)과 2번째 래치 신호라인(108)로서 주어진 소자상태에서 래치신호를 이르게 한다.

본 발명에 있는 래칭 메커니즘은 캐퍼시티 전극들의 정전기력이므로 래치 신호은 첫번째 래치 신호 라인과 2번째 래치 신호 라인의 전압차이이고 따라서 전기적 경로들이다.

도 1-5에서 나타난 구체적인 예에서, 부하 신호 선들은, 니켈이 부착되어 있고 도금 층이 0.4um 두께인, 낮은 릴레이 전기적 저항을 위하여 4um 두께로 도금된 금의 합금으로 제조된다. 그러한 금속화는 가벼운 부하 신호에서 적당한 부하 신호들를 위한 저 손실의 선들을 허용하는 충분히 낮은 저항이고 충분히 두껍다. 그리고 니켈은 금의 전기적 성능을 저해하지 않으면서 도금층(platinglayer)을 제공한다. 이 구체화의 컨트롤 신호 선들과 래치 신호 선들은 도금된 금이 없는 0.4um 니켈 물질로 제조될 수 있다. 부하 파워는 컨트롤과 래치 신호 선들에서 전송되지 않는다. 그래서 금의 낮은 저항은 필요치 않다. 그리고 이 생략(omission)에 의하여 낮은 제조 비용이 실현될 수 있다. 금은 와이어 본딩 혹은 플립-칩 부착(flip-chip attachment)과 같은 경우나, 금 도금이 사용되어지는 경우와 같이 소자 패키징 공정에서 중요하다.

본 발명의 적용에서, 어떤 전기적 경로, 선 혹은 전극 구성요소들에 사용될 수 있는 하나의 세트의 물질들은, 전도체(conductors)라고도 불리는, 한 세트의 전도성의 물질들일 수 있다. 본 발명에 따른 릴레이 요소들을 제조하는데 사용되는 전도체들은, 고 농도로 도핑된 반도체의 저항과 등가의 저항에 해당하는 0.2 ohm-cm(ohm-centimeter) 이하의 저항을 갖는 물질들로부터 선택할 수 있다. 본 발명에 따른 몇 개의 소자들에서 사용될 수 있는 물질들은 금, 구리, 은, 플래티늄, 니켈, 그리고 알루미늄을 포함한다. 본 발명에 따른 다른 소자들에서 사용될 수 있는 물질들은 실리콘, 갈리움 아세나이드, 실리콘 저마니움 그리고 인디움 포스파이드와 같은 불순물이 첨가된 반도체을 포함한다. 전체적으로 낮은 저항성을 갖는 반도체 혹은 금속의 조합 혹은 어떤 합금이 사용되는 것이 고려된다.

본 발명에 따른 소자들에서 전기적 경로들에 대한 물질들의 두께는, 적용(application)과 가능한 제조기술에 따라서 0.1 ~ 100um인 것이 고려될 수 있다. 더 나아가 본 발명에 따른 하나의 소자에서 , 전기적 혹은 제조 요구사항이 다름에 따라 하나의 전기적 경로의 두께는 같은 소자에 있는 두번째 전기적 경로 혹은 선의 두께와 실질적으로 다를 수 있는 것이 시도된다. 이 분야의 전문가에게는 어떤 경로(path)의 전기적 레지스턴스는 그 저항성, 그 두께, 그 넓이, 그리고 전체 길이와 관련된다는 것이 일반적으로 인식된다. 결과적으로 파워 세이빙(power saving)은 경로 레지스턴스, 특히 높은 그리고 매우 높은 파워들의 신호 부하들에 대한 파워 레지스턴스를 줄이는 방법에서의 물질들과 물질등의 배열(geometries)을 선택함으로써 얻을 수 있다. 높은 레지스터비티와 작은 넓이 그리고 두게를 갖는 물지들의 이용은 릴레이 요소들의 줄의 가열(Joule's Heating)에 이르게할 수 있다. 그리고 소자내에서 신호 로스를 증가시킬수 있다.

바람직한 물질의 두께와 적용들의 관계는 만들어 질 수 있다. 전기적 경로들( ranges provided assume electrical paths) 은 이미 규정한 전도성의 물질들로 만들어 진다. 경로의 물질 두께는 본 발명에 따른 소자에 대하여 0.1에서 3um사이의 범위로 빠른 스위칭 타임들과 낮은 신호 부하들을 가진 이용으로 시도되는 것이 고려된다. 그러한 경로(path)는 ,같은 넓이와 물질의 더 두꺼운 경로들과 비교시, 가볍고, 가늘고, 그리고 높은 레지스턴스를 가지며 낮은 혹은 매우 낮은 부하 신호파워들을 스위칭하는 적용들에서 유용할 수 있다. 적당한 신호 부하들과 스위칭 타임들을 갖는 적용들에서 전기적 경로들의 물질두께는 경로의 레지스터버티와 넓이에 따라 0.5 ~ 15um범위인 것이 시도된다. 높은 부하 신호 스위칭에 따른 적용들에서, 경로의 물질 두께는 4~ 100um의 범위에서 시도된다. 그러한 경로는 같은 넓이와 물질의 더 얇은 경로들과 비교시 높은 매스(mass)와 낮은 레지스턴스를 갖는다.

본 발명에 따른 몇몇 소자들에서, 물리적 배역, 물질의 특성, 그리고 전기자 그 자체들의 전기적 특성들이 고려되어야 한다. 그림 1-5에 나타난 구체적화에서 , 액츄에이터 전기자(109)는 그림 1과 3A의 고정된 베이스 지역으로부터 서스펜딩 되어 있다. 액츄에이터 전기자는 하나의 지역이 고정되어 있고(110) 하나의 지역이 자유롭게 디플렉트된(111) 형태이다. 본 발명에 따른 몇몇의 소자에서 , 전기자는 하나 혹은 그 이상의 , 실리콘, 이산화 실리콘, 실리콘 나이트라이드, 갈륨 아세나이드, 석영, 폴리아마이드 혹은 다른 폴리머 또는 금속과 같은 , 마이크로 패브리케이션 가능한 물질등의 층으로 만들어지는 것을 생각할 수 있다. 논의된 구체화의 액츄에이터 전기자는 , 화학적 증기침전 혹은 스핀-온(spin-on) 유리 테크닉에 의한 용이성 때문에 선택된,8um두께의 이산화 규소 층(layer)을 함유하며 이는 절연된 견고한 전기자 스트럭처를 제공한다.

캔틸레버 빔(beam)의 버티컬 경도(vertical stiffness)는 빔의 넓이와 대략적으로 일직선상이고 두께에 관하여 서어드-오더 디그리(third-order degree)와 관련된다 그리고 길이와 관련하여서는 역(inverse) 서어드-오더 디그리라는 것이 고려된다. 결과적으로 , 기판에 대하여 보통 수직방항으로 디플렉트되는 것으로 기대되는 빔에 대한 넓이보다 두께와 길이가 더 큰 설계의 중요성을 갖는다 . 그러한 전기자의 전체 두께는 , 제조시 사용되는 길이 그리고 패브리케이션 기술의 적용에 따라서 ,0.2um ~ 1um의 범위일 수 있다 . 본 발명에 따른 소자에 있어 전기자는 길이가 5um~5mm사이인 것으로 기대하는 것이 합리적이다. 현재 구체적인 예에서 언급되는 액츄에이터 전기자는 40um 넓이에 180um길이로서 충분한 넓이로 선 레지스턴스를 제공하고 충분한 길이로 전기자의 유연성을 제공한다.

매우 빠른에서 빠른 스위칭 스피드를 갖는 매우 낮은에서 낮은 신호 부하들로 시도된 본 발명에 따른 소자에서 , 전기자는 두께가 0.2 ~ 4um 길이가 5~ 50 um범위일 수 있다. 빠른에서 적당한 스위칭 스피드를 갖는 낮은에서 적당한 신호 부하들을 위하여 설계된 소자에서, 전기자는 두께가 1~40 um, 길이가 25~500um 인 것이 고려된다. 적당한에서 느린 스위칭 스피드를 갖는 적당한에서 높은 신호 부하들을 요구하는 적용에 있어서 전기자의 두께는 10~400um 길이는 100um~2mm 인 것을 생각할 수 있다. 느린에서 매우 느린 스위칭 스피드들을 갖는 높은에서 매우 높은 신호 부하들에 관하여 설계한 소자들에서 전기자는 두께가 200 um~1mm 길이가 1~5mm 인 것을 상정할 수 있다.

언급된 전기자의 사이즈 범위는 견고한 사각 디자인의 (rectangular design)의 전기자들 혹은 다른 요소들 뿐만 아니라 , 일직선의 혹은 일직선이 아닌 기능에 의하여 하나 혹은 그 이상의 치수들에서 변하는 다른 요소들과 전기자들에게도 적용되는 것을 생각할 수 있다. 그러한 전기자의 예는 좌우끝단에 있는 하나의 넓이로부터 작은 넓이로의 부하 전기자일수 있다. 직사각형의 부하 신호 전기자 보다 높은 퍼포먼스를 제공하고 입력 리플렉션을 감소시킬 수 있기 때문에 RF 적용들에 있어 관심일 수 있는 그런 구조로 인식되어 왔다.

도 3A는 패시브 스테이트의 멀티모프 액츄에이터 전기자의 측면도이다. 멀티모프는 다른 특성들을 갖는 물질들의 2개 혹은 그 이상의 층으로 이루어진 요소이고, 도면에 나타난 바이모프는 정확하게 2개의 층들을 갖는 멀티모프를 말한다. 자극들에 노출시 다른 양에 의하여 멀티모프 액츄에이터의 물질 층들은 각자 변한다. 피에조일렉트릭 혹은 써멀 멀티모프 액츄에이터의 경우, 각각 자극은 적용된 전압, 열일 수 있다. 버클링(buckling) 액츄에이터의 경우 자극은, 계속 일어나는 버클링 요소들의 물리적 작용에 의하여 확대될 수 있든 버클링 센서티버티의 방향으로의 기계적 변형일 수 있다. 각 경우에 층들은 견고하게 하나 혹은 그 이상의 면들(faces)을 따라서 연결된다. 그래서 물질의 다른 팽창들은 , 가장 큰 팽창을 갖는 층 혹은 층들로부터 멀어지는 방향으로 멀티모프를 굽이치는(curve) 경향이 있다.

도 1과 3A에 나타난 멀티모프 액츄에이터는 2개의 물질 (113) 과 (114)로 이루어 진다. 멀티모프의 2개의 물질들의 각각은 , 주어진 자극에 따른 다른 양에 의하여 변한다. 현재 언급되는 구체화에서 멀티모프는 피에조 일렉트릭 바이모프로서, 여기에서 물질들은 다른 피에조일렉트리서티 계수를 갖는다. 이 구체화에서 물질(113)은, 피에조일렉트리컬리 뉴트럴 물질인 요소(114)를 갖는 , 2개의 물질들 중에서 가장 높은 피에조일렉트리서티를 갖는 것을 생각할 수 있다. 이 구체화의 피에조일렉트릭 액츄에이터는 6 마이크로 미터 두께의 이산화 실리콘 층 위에 형성된 12 마티크로 미터 두께의 납 지르코네이트 티타네이트(lead zirconate titanate, PZT) 세라믹 층로 형성될 수 있으며, 이미 가능한 액츄에이션 전압으로 액츄에이션 전기자를 휘게 하기에 충분한 정도이다.

본 발명에 따른 소자에 의하여 사용되는 피에조 일렉트릭 멀티모프 액츄에이터들은 바리움 티타나이트(BaTiO3) ,바리움 티타네이트(BaTiO), 리드 니오베이트(PbNbO3), 리드 티타네이트(PbZrO3), 리드 지코네이트 티타네이트등과 같은 세라믹중에서 혹은 쿼츠, 리디움 설페이트, 리디움 니오베이트, 혹은 이산화 아연등과 같은 피에조일렉트리컬리 액티브한 단일의 크리스탈중에서 제조된 피에조 일렉트리컬리 액티브한 물질들을 포함할 수 있는 것을 생각할 수 있다.

본 발명에 따른 소자에 의하여 사용되는 피에조 일렉트릭 멀티모프 액츄에이터들은 유사하게 이산화 규소, 쿼츠, 실리콘 나이트라이드, 또는 불순물이 첨가되지 않은 실리콘과 같은 절연물질들로 제조된 한 개 혹은 그 이상의 멀티모프 층들을 생각할 수 있다. 예를 들면 현재 논의하고 있는 구체화에어 요소(114)로서 이미 언급된 이산화 규소 전기자 층을 이용한다.

거꾸로 , 본 발명에 따른 소자에 의하여 사용되는 피에조 일렉트릭 멀티모프 액츄에이터들은 다른 멀티모프 층들의 그것에 다른 민삼성을 갖는 피에조일렉트리컬리 액티브한 물질들을 이용할 수 있다. 본 발명에 따른 다른 소자들에 있어서, 요소들(113)과 (114) 모두는 제로값 혹은 비제로값의 피에조일렉트리서티 계수를 갖는 물질들의 다중 층들로 이루어짐을 생각할 수 있다.

적용, 물질, 다른 액츄에이터 치수들, 그리고 제조시 사용되는 패브리케리션 기술에 의존하여 요소들(113) 과 (114)의 물질 두께는 0.5um~ 1mm 인 것을 생각할 수 있다. 낮은에서 매우 낮은 신호 부하들과 높은에서 매우높은 스위칭 스피드들에 요구되는 적용들에 대한 본 발명에 따른 소자에서, 요소들(113)과(114)는 두께가 0.5~6um인 것을 생각할 수 있다. 적당한 멀티모프 액츄에이터 두께를 요구하는 적용에서 요소들(113)과 (114)이 두께는 4~80um범위일 수 있는 것을 생각할 수 있다. 더 나아가 , 낮은에서 매우 낮은 스위칭 스피들를 가능케하는, 높은에서 더욱 높은 신호 부하들에 대한 높은 포스(force)를 요구하는 본 발명의 몇몇의 구체화는 요소들(113)과(114)가 두께에 있어 50um~1mm사이인 것을 요구하는 것을 생각할 수 있다.

피에조 일렉트릭 멀티모프 액츄에이터들을 사용하는 본 발명에 따른 소자에서 액추에이션에 요구되는 구동신호(drive signal)는 피에조일렉트릭 물질의 두께와 넓이에 따른 전압차이일 수 있다. 그림 1과 3A는 피에조일렉트릭 바이모프의 구동신호선들에 대하여 가능한 배열을 나타낸다. 현재 논의되고 있는 구체화에서 구동신호선들은, 베이스 기판의 평면 위에 튀어나온 고정된 베이스 지역들의 꼭대기에 만들어 지니다. 본 발명에 따른 다른 소자들에서 구동신호선들은 베이스 기판들의 전기적으로 절연된 지역의 위에 직접 만들어짐을 생각할 수 있다. 그림 3A는 각각 피에조일렉트릭 물질(113) 위 꼭대기와 바닥으로 향하는 구동신호 커넥션들(140)과 (141)을 묘사하고 있다. 이 구동신호 커넥션들(140)과 (141)은 각각 제2의 그리고 제 1의 구동 신호선들에 부착된다. 상단의 제 1 구동신호 커넥션(140)은 , 제2 구동 신호 경로에서 피에조 일렉트릭 바이모프 물질들로 연장되는, 그림 1에서 쉽게 볼 수 있다. 제 1 구동신호 경로로부터 온 더 낮은 제 2 구동신호 커넥션 (141)은 피에조일렉트릭 물질 아래에서 사라진다.

베이스 기판으로 향하고 액츄에이터 전기자의 자유 끝단(free end)에 부착되는 것이 전기자 전극(115)로 , 제 1 래치 신호 경로(116)에 의한 제 1의 래치 신호선에 전기적으로 부착된다. 전기자 전극 아래에 있든 베이스 기판에 부착되는 것이 베이스 기판 전극(117)이고 이는 유도되는 제 2 래치 신호 경로(118)에 의하여 제 2 래치 신호 선에 전기적으로 부착된다. 래치 신호는 전압차이기 때문에 전기자 전극, 베이스 기판 전극, 그리고 그들의 제 1 및 제 2의 래치 신호선들로 연결되는 전도성의 경로들은 전기적 경로들이 될 것이다. 다른 전기적 경로들에서와 같이, 전도체가 사용되어 전기자 전극와 베이스 기판 전극를 만드는 것을 생각할 수 있다. 유사하게, 본 발명에 따른 소자들의 전기자 전극들과 베이스 기판 전극들의 물질 두께는 , 전에 논의되었던 거처럼 적용과 물질에 따라 0.1에서 100 um 범위인 것이 고려된다.

전기자 전극과 베이스 기판 전극의 평면지역은 각각 25마이크로 미터 스퀘어 및 25제곱 밀리미터 사이인 것으로 기대된다. 본 발명에 따른 몇몇의 소자들에 대하여 전기자 전극의 평면지역은, 액츄에이터 전극과 그 위에 위치하는 , 멀티모프 액츄에이터의 평면 사이즈의 적어도 반(on half)일 것이다. 본 발명에 따른 몇 몇의 소자들에서 전극들의 지역 형태는(area shape) 정사각형, 직사각형, 또는 몇몇의 평면 배열형태의 조합일 것으로 생각된다.

매우 빠른 스위칭 스피드를 갖는 매우 낮은 신호 부하들을 조절하는 소자들과 같은, 매우 작은 전체 사이즈를 갖는 소자에서, 전기자 전극와 베이스기판 전극는 평면에서 각각 25~500 제곱 마이크로 미터 사이일 수 있다. 빠른 스위칭 스피드들을 갖는 낮은 신호 부하들을 조절하는 소자들과 같은, 작은 전체 사이즈를 갖는 소자에서 , 전기자 전극와 베이스 기판 전극은 평면에서 300~ 50,000제곱 마이크로미터일 수 있다. 적절한 사이즈를 갖는 본 발명에 따른 다른 소자들에서 전기자 전극와 베이스 기판 전극은 평면지역에서 각각 30,000제곱 마이크로 미터에서 2제곱 밀리미터 사이일 수 있음을 고려할 수 있다. 만일, 특정의 소자가, 1mN 혹은 그보다 큰 오더(order)위에 정전 래칭 신호들을 발생시키기 위하여 큰 지역을 필요로 한다면, 평면에서 1~ 25 제곱 밀리미터의 범위의 전기자 전극와 베이스 기판 전극를 생각할 수 있다.

현재 언급된 구체화의 금 부하 신호선(gold load signal line)과 같이 낮은 저항 트랜스미션 선은 정전 캐퍼시티브 전극에 일반적으로 필요치 않다. 감지할 수 있는 DC전류는 캐퍼시티브 전극들을 따른 전압을 발생시키거나 흩어지게 하는데 필요하지 않다. 필요치 않은 두꺼운 금속을 제거함으로써, 릴레이의 전체 사이즈와 무게가 스위칭 스피드를 증진시킬 수 있게 감소될 수 있다. 현재 논의되고 있는 구체화에 대한 래치 전극들의 각각은 직사각형 면적 10,000제곱 마이크로 미터이고, 래치 및 컨트롤 신호 선들 뿐만 아니라 이 전극들은 0.4um 두께의 니켈로부터 만들어진다. 이 니켈은, 제조를 단순화시키는, 금 부하 신호 선들에 대한 도금 평면에 사용되었던 것과 같은 것이다.

현재 논의중인 본 발명의 구체화에서, 래치 전극 절연체가 (119) , 전기자가 휠 때 전기자 전극과 베이스 기판 전극 사이에 발생하는 전기적 컨택트를 방지하는데 사용될 수 있는 것을 생각할 수 있다. 래치 신호은 다른 전압이므로 그러한 전기적 컨택트는 이 신호의 단락과, 잠재적으로 파괴의 이벤트(destructive event)를 유발시킬 수 있다. 래치 전극 절연체는 절연 물질로 만들어질 수 있다. 이때 절연 물질은 10 ohm-cm 혹은 그 이상의 저항성을 갖는 물질로 한정된다. 현재의 구체화의 전극 절연체는, 높은 품질의 (high-quality) 얇은 실리콘 나이트라이드 필름들의 유용성 때문에, 0.1um 두께의 실리콘 나트라이드 층으로 이루어진다.

본 발명에 따른 소자에서 래치 전극 절연체에 대하여 사용될 수 있는 절연 물질들은 , 불순물이 포함되지 않은(undoped) 실리콘, 실리콘 나이트라이드, 쿼츠, 혹은 폴리이미드 혹은 다른 절연 폴리머와 같은 절연 미세조립 물질들을 포함한다. 래치 전극 절연체는 본 발명에 따른 소자에서 사용되는 다른 물질들 층들 보다 상대적으로 얇은, 0.05~2 um두께의 범위임을 생각할 수 있다. 매우 낮은 혹은 적절한 액츄에이터 사이즈를 갖는 몇몇 소자들에서 래치 전극 절연체의 물질 두께는 0.05~0.4um의 범위일 수 있다. 그러한 범위는 , 절연물질들의 얇은 층들이 이용가능하고 필드 힘 때문에 유전체의 파괴를 방지하는 충분한 특성이 있는 적용에서 바람직할 것이다. 보통에서 매우 큰 액츄에이터 사이즈들을 갖고 높은 질의 절연물질들로 이루어진 얇은 층들을 사용할 수 없는 몇몇 소자에 있어서, 래치 전극 절연체의 두께는 0.3 내지 2um인 것으로 생각될 수 있다.

마이크로머신 스위치들과 릴레이들의 분야에서 다형 혹은 정전 요소들을 통합하는 많은 소자들이 있다. 다형 액츄에이터들은 기본적으로 그들의 캐퍼시티(capacity)가 어떠한 주어진 구동 파워, 전압, 그리고 전류에 대해서도 큰 힘을 생성하기 때문에 이용된다. 정전 액츄에이터들은 , 오픈 혹은 클로우즈된 위치에서 스위치들과 릴레이들을 홀딩하고 액추에이션하는데 그들의 매우 적은 힘들을 사용하기 때문에 이용된다. 커뮤너티에서는 적은 파워를 이용하면서 의존할 수 있는 접촉들(reliable contacts)에 대하여 큰 힘들을 통합하는 소자들을 개발하고자 하는 욕구가 있어 왔다. 그러나 기존의 노력들은 성공적인 것이 없었다. 본 발명은 이러한 목적을 달성한 최초의 시도로서, 양쪽의 제로 파워 정전 래칭 메카니즘을 가진 하이 포스(high- force ) 다형 엑추에이션을 통합함에 의하여 그것이 실현된다.

본 발명의 동작들은 소자에 대하여 상이한 안정한 상태를 주게된다. 제 1의 상태는 패시브 상태로서, 이는 제어 신호들이 소자에 적용되지 않을 때 릴레이의 자연 조건이다. 활성화 또는 액티브 상태가 요구되면 , 구동 제어 신호가 릴레이 액츄에이터들에 인가되어 소자의 기계적 한계들이 릴레이 전기자(armature)의 더한 편향(further deflection)을 방해한다. 일단 변화되면 래치된 상태에서(latched state) 불특정시간(indefinite period of time )동안 상태를 홀딩하는 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써 래치 제어 신호가 캐퍼시터 요소들(capacitive elements)에 인가되어, 정전기력(electrostatic forces)을 가지고 그들을 끌어 당기고 그들을 함께 홀딩하게 된다. 그 때 , 구동 제어 신호들을 액츄에이터로부터 제거하는 것이 가능하고, 릴레이는 래치드된(latched) 상태를 유지하게 된다. 래치 제어 신호을 제거하면 릴레이를 패시브 상태로 되돌아가게 한다.

(용어의 정의)

미세조립 소자들에 익숙하지 않은 독자들을 위하여 간단하게 용어와 단위에 대하여 설명한다. 발명의 도면과 상세한 설명에서의 개시는 그들이 본문에서 묘사되면서 도면에 숫자로 표시되는 꼼꼼한 용어들을 포함한다. 이 잠재적으로 유용한 특허출원의 목적을 위하여, 각각의 용어는 허용되는 릴레이 산업 용어에 따라서 제한된 기술어(reserved descriptor)로 간주된다.

Milli-, m 는 1,000분의 1에 해당하는 표준 SI접두어이다.

Micro-, m는 1,000,000분의 1에 해당하는 표준 SI접두어이다.

Nano-, n은 1,000,000,000분의 1에 해당하는 표준 SI접두어이다.

Newton, N은 Kg meter/ second-squared에 해당하는 힘의 SI단위이다.

Micron,mm혹은 마이크로 미터는 밀리미터의 1000분의 1에 해당하는 길이의 단위이다.

미세조립은(microfabrication) 통합된 서큐트 디벨로퍼 커뮤너티에 의하여 유행하는 포토리소그래픽 기술을 통하여 모사되는 요소들을 규정하는 조립방법으로 정의한다.

마이크로머시닝은, 사진석판으로(photolithographically) 정의되어 왔던; 종종 산이나 염기들을 이용하는 에칭(etching) 프로세스에 의하여실행되는, 마이크로패브리케이티드된 요소들을 묘사한 행동으로 정의한다.

엑추에이션은 릴레이 혹은 다른 스위칭 소자의 오프닝과 클로우징의 액션으로 정의한다.

액츄에이터는 엑추에이션에 필요한 에너지 전환 메커니즘으로 정의한다.

전기자(armature)는 릴레이 도는 다른 스위칭 소자들을 열거나 닫기위하여 액츄에이터에 의하여 디플렉트 되거나(deflected) 움직여진 어떤 요소로 정의한다.

다형은 자극(stimulus)에 노출되었을 때 사이즈를 변화시키는 레이어들의 조합으로 이루어진, 이 때 사이즈 변화는 는 2개 혹은 그 이상의 다른 레이어들로 변화하는, 액츄에이터로 정의한다.

바이모프는 정확히 2개의 레이어를 다형으로 정의한다.

다형 레이어는 다형의 어떤 하나의 레이어로 정의하며 , 이 때 각각의 특정 레이어는 다형 에 대하여 정의된 구동 자극들에 민감하거나 민감하지 않을 수 있다.

압전 다형 또는 다형은 일렉트릭 전압 자극들에 민감한 다형 액츄에이터로 정의하며 여기에서 하나 혹은 그 이상의 레이어들은 압전(piezoelectricity)의 논-제로(non-zero) 계수를 갖는다.

써멀 다형은 뜨거운 혹은 차가운 자극들에 민감한 다형 액츄에이터로 정의하여 여기에서 하나 혹은 그 이상의 레이어들은 논-제로(non-zero) 열확장 계수를 갖는다.

버클링(buckling) 다형은 편향 자극들에 민감한 다형 액츄에이터로 정의하며 여기에서 하나 혹은 그 이상의 레이어들은 버클링 현상에 따른 수준에서 논-제로 스트레스를 갖는다.

고정 베이스(fixed base)는 메카니컬 서포트를 제공하는 견고한 완전한(integral) 릴레이 지역으로 정의한다.

베이스 기판은(base substrate)는 고정 베이스의 한 부분을 구성하는 미세조립 기판으로 정의한다.

부하신호(load signal)는 릴레이 혹은 다른 스위칭 소자에 의하여 스위칭될 수 있는 신호로 정의한다.

부하신호는 부하신호가 스위치되는 포트(port)(인풋 혹은 아웃풋)로 정의한다.

전기자 접촉부는 부하신호선으으 인풋으로부터 부하신호가 진행할 수 있도록 하기 위하여 유도하는 경로(path) 를 형성 그리고/.혹은 단절하기위하여 접촉 요소들을 물리적으로 접촉 그리고/혹은 해제하게 하는 전기자(armature)에 위치한 요소로 정의한다.

접촉 전기자는 부착된 전기자 접촉 요소들을 갖는 전기자로 정의한다.

베이스 기판 접촉부란 아웃풋 부하 신호선으로의 인풋으로부터 신호를 진행하게 하는 유도 경로를 형성 그리고/ 혹은 단절하게 하기 위하여 다른 접촉 요소들을 물리적으로 인게이지 그리고/혹은 디스 인게이지하는 베이스 기판위에 위치한 요소로 정의 하나다.

구동 신호란 릴레이 혹은 스위치의 활성화를 일이키는 신호로 정의한다.

구동 신호 라인이란 구동 신호로 향하는 라인으로 정의한다. 최소한 2개의 구동 신호 라인이 전기적 구동 신호에 필요한데, 이 중 하나는 신호을 위하여 다른 하나는 레퍼런스(reference)를 위하여 필요하다.

래치 신호란 열린 혹은 닫힌 상태에서 릴레이 혹은 스위치를 홀딩하는 신호로 정의한다.

래치 신호 라인이란 래치 신호로 향하는 라인으로 정의한다. 적어도 2개의 래치신호 라인들이 일렉트릭 래치 신호들을 위하여 필요한데, 이 때 하나는 신호을 위하여 다른 하나는 레퍼런스로서 필요하다.

전기자 전극이란 전기자 부착된 전도성 지역(conductive area)으로 정의하는데,그 위에 래치 신호들 혹은 그 들의 레퍼런스들이 향한다.

베이스 기판 전극이란 베이스 기판에 부착된 전도성 지경으로 정희하는데 , 그 위헤 래치 신호들 혹은 그들의 레퍼런스들이 향한다.

래치 전극 절연체란, 전기자 전극과 베이스 기판의 전극 사이에서 전기적 접촉을 일어남을 방지하는 ,절연지역(insulating region)으로 정의한다.

본 발명은 , 일반적으로 릴레이 분야 표준과 비교할 때 작은 신호 로드와 스피드를 스위칭함을 포함한다. 예를 들면 mm와 mA사이에서 기능적인 차이는 종래의 릴레이들에 대한 부하 신호 강도(strength) 와 관계하여 이루어지지 않는다.

반면에 이러한 다른 부하 신호들을 위한 미세조립 릴레이들의 퍼포먼스와 설계차이(design differences)는 중요할 수 있다. 이 특허의 목적들을 위하여 하기의 스피드와 신호 로드들이 정의된다. 이러한 분류는 릴레이 분야 표준에서 정의된 것들과 다름을 주목한다.

아주 빠른 스위칭 타임은 100nsec이하로 정의한다.

빠른 스위칭 타임은 100nsec에서 1 μsec로 정의한다.

알맞은 스위칭 타임은 1 μsec에서 100 μsec로 정의한다.

느린 스위칭 타임은 100 μsec에서 10msec로 정의한다.

아주 느린 스위칭 타임은 10msec보다 큰경우로 정의한다.

매우 낮은 신호 로드는 10 μA DC 전류(current) 혹은 100 μW RF 파워보다 적은 것으로 정의한다.

낮은 신호 로드는 10 μA에서 10mA 혹은 100 μW에서 100mW로 정의한다

알맞은 신호 로드는 100 mA에서 500mA 혹은 100mW에서 5W로 정의한다.

높은 신호 로드는 500mA에서 5A 혹은 5W에서 50W로 정의한다.

매우 높은 신호 로드는 5A의 DC전류 혹은 50W의 RF 파워보다 큰 것으로 정의한다.

본 발명의 논의된 실시 예에 있어서, 래치 전극 절연체는 베이스(base) 기판 전극의 상부 표면에 부착되는 것도 생각될 수 있다. 본 발명에 따른 다른 소자(device)에 있어서, 래치 전극 절연체는 전기자 전극의 하부 표면에 부착될 수 있다. 다른 소자에 있어서, 래치 전극 절연체가 전극들 사이에 매달릴 수 있고, 어느 방법에 의하여 릴레이 구조의 모서리에 기계적으로 부착될 수 있는 것도 고려될 수 있다. 만일 전극들과 절연체가 궁극적으로 고정 베이스에 기계적으로 연결된다면, 그들은 멤브레인(membrane)과 같이 연속적인 박막(film)일 필요는 없으며, 서로 다른 소자들에 있어서 구멍, 선 또는 격자 형태를 가지는 것도 고려될 수 있다.

도 1 내지 5에 도시된 실시 예는 그 설계에 있어서 제2 주 전기자 즉 부하 전기자(load armature, 159)는 도 1 및 2A의 고정 베이스 영역으로부터 떠 있는 것을 특징으로 한다. 액츄에이터 전기자와 유사한 방식으로, 이 부하 전기자는 고정된 영역(160)과 휨이 가능한 영역(161)을 가진 캔틸레버(cantilever)의 형태를 가진다. 본 발명에 따른 어떠한 소자에 있어서, 전기자가 실리콘, 이산화 실리콘(silicon dioxide), 질화 실리콘(silicon nitride), 갈륨 알세나이드(gallium arsenide), 석영(quartz), 폴리이미드(polyimide) 또는 다른 중합체(polymer)와 같이 미세공정(microfabrication)이 가능한 재료들 또는 금속들의 층(layer)들로 제작되는 것도 생각될 수 있다. 논의된 실시 예의 액츄에이터 전기자는 미세공정 기술을 적용할 수 있는 절연가능하고 단단한 전기자 구조를 제공하기 위하여 선택된 8 μm 두께의 이산화 실리콘 층과 결합된다.

액츄에이터 신호 전기자의 캔틸레버 빔(beam)과 같은 방식으로, 기판 면에 수직한 수직 방향으로 휘도록 기대되는 빔에 대하여 다형(multimorph) 액츄에이터 전기자의 두께와 길이는 너비에 비하여 더 큰 설계상의 중요성을 가진다. 논의되는 실시 예의 부하 전기자는 180 μm의 길이와 25 μm의 너비를 가진다.

전기자 접촉부 경로(armature contact element path, 121)를 통하여 제1 부하 신호선(first load signal line)에 전기적으로 연결되는 전기자 접촉부(armature contact element, 120)는 도 2A의 전기자의 베이스 기판에 수직으로 대향하는 위치에 부착되어 있다. 본 발명에 따른 어느 소자들에 있어서, 상기 전기자 접촉부, 전도 경로(conductive path) 및 제1 부하 신호선은 공정의 단순화를 위하여 유사한 재료와 두께로 제작될 수 있다. 본 발명에 따른 다른 소자들에 있어서, 접촉부의 기계적 및 전기적 특성을 개선하기 위하여, 전기자 접촉부는 전도 경로와 제1 신호선과 다른 재료와 두께로 제작될 수도 있다. 어느 소자에 있어서, 성능과 공정의 용이성을 위하여, 전기자 접촉부, 전도 경로 및 제1 부하 신호선은 서로 다른 다양한 재료들과 두께로 제작될 수 있다. 논의된 실시 예의 상기 전기자 접촉부 경로는 5μm 두께의 금 합금이다.

본 발명에 따른 소자들에 있어서, 전기자 접촉부의 치수는 전체 면적에 있어서, 0.5μm²와 1 mm² 사이의 값을 가진다. 상기 면적의 모양은 사각형, 원형, 타원형 또는 어느 비표준의 기하학적인 모양일 수 있다. 본 발명에 따른 소자들이 낮거나 매우 낮은 신호 부하들(signal loads)을 사용하는 응용에 사용되는 경우에 있어서, 상기 전기자 접촉부는 0.25 μm²와, 30 μm² 사이의 면적을 가질 수 있다. 낮거나 일반적인 신호 부하들에 적합한 소자들에 있어서, 상기 전기자 접촉부는 20 μm²와 3000 μm² 사이의 면적을 가질 수 있다. 높거나 매우 높은 신호 부하들에 적합한 소자들에 있어서, 상기 전기자 접촉부는 2000 μm²와 1 mm² 사이의 전체 면적을 가질 수 있다.

상기 접촉부의 성능 요구사항들에 따라, 상기 접촉부는 본 발명에 따른 소자에 사용된 다른 전기적 경로의 기계적 마모 특성보다 개선된 기계적 마모 특성을 제공하기 위하여 서로 다른 재료 층들(different material layers)을 사용하도록 요구될 수 있다. 한 소자에 있어서, 상기 서로 다른 층들은 상기 명목상의 접촉부 표면의 위 또는 아래 중 어느 한 곳에 위치한 니켈, 텅스텐, 레늄(rhenium), 로듐(rhodium) 또는 루테늄(ruthenium)과 같은 경금속(hard metal)들의 층들을 포함하는 것도 생각될 수 있다. 또한, 전기자 접촉부를 제작하기 위하여, 합금들 또는 합금들과 다른 낮은 저항의 금속들의 층 형태의 결합이 사용되는 것도 생각될 수 있다. 본 발명에 따른 소자들에 있어서, 전기자 접촉부에 사용되는 각 재료는 응용에 적합한 두께를 가질 것으로 예상되며, 그 두께는 0.1 μm와 100 μm 사이의 값을 가질 수 있다. 주어진 응용과 실시예에 따라 깊이와 모양의 차이를 제공하기 위하여, 전기자 접촉부의 두께는 그 평면상의 면적에 따라 변할 수 있는 것도 생각될 수 있다.

낮거나, 매우 낮은 신호 부하를 사용하는 응용에 적합한 본 발명에 따른 소자들에 있어서, 전기자 접촉부의 재료 두께는 0.1 μm와 2 μm 사이의 범위를 가지는 것도 생각될 수 있다. 이러한 접촉부는 같은 물질과 평면적인 모양을 가진 두꺼운 경로에 비하여 높은 저항을 가지며, 가볍고 얇을 것이다. 낮음과 보통 사이의 신호 부하들에 적합한 소자에 있어서, 접촉부의 재료 두께는 0.5 μm와 10 μm 사이의 값을 가지는 것이 생각될 수 있다. 이러한 접촉부는 다른 가능한 미세 공정에 의한 같은 재료를 사용한 구성요소와 경로에 비하여 보통의 질량과 저항을 가질 것이다. 높거나 매우 높은 부하 신호 전원들을 스위칭하는 소자들에 있어서, 경로의 재료 두께가 5 μm와 100 μm 사이의 값을 가지는 것이 생각될 수 있다. 이러한 구성요소는 같은 물질을 사용한 더 얇은 구성요소와 경로들에 비하여 높은 질량과 낮은 저항을 가질 것이다. 도 1 내지 5에 도시된 실시 예에 있어서, 접촉부들은 신호선에 사용된 것과 동일한 금 합금으로 이루어져 있으며, 신뢰성 있는 접촉 성능을 위한 강하며, 내마모성 있는 접촉 영역을 제공하기 위하여 굴곡이 있는 0.5 μm 두께의 레늄 상판(overplate)이 추가된다.

상기 접촉부, 상기 경로 및 상기 신호선의 상세한 형상은 도 1 및 2에 도시된 모양에 한정되지 않는 것으로 사료된다. 본 발명에 따른 어느 소자들에 있어서, 상기 전도 경로는 전기자의 상부에 부착되기 보다는 전기자의 하부에 부착되거나, 전기자의 중신을 관통하는 것으로 생각될 수 있다. 그러한 형상들은 도 6 내지 10과 도 11 내지 13에 도시된 제2 및 제3 실시 예에 표현되어 있다. 상기 전도체가 상기 전기자를 구성하는 다른 재료들에 비하여 덜 중요한 예를 나타내는 도 1A와 달리, 어느 소자들에 있어서는 상기 전도 경로는 상기 전기자의 주요한 재료에 해당할 수 있다. 이와 반대로, 다른 소자들에 있어서, 전기자 도전체의 기계적 특성은 전체 전기자의 기계적 특성을 결정하는 주요부에 해당하지 아니한다. 어떠한 전도성 재료들은 장기간 사용에 의하여 기계적으로 열화되기 쉬우므로, 이러한 설계는 바람직할 수 있다. 또한, 상기 전기자 접촉부의 모양은 평평한 모양에 한정되지 않으며, 구부러진 형태이거나, 계단 형태이거나, 거친 표면을 가진 형태일 수 있는 것도 생각될 수 있다.

전도 경로(123)에 의하여 제2 부하 신호선에 전기적으로 연결된 베이스 기판 접촉부(base substrate contact element, 122)는 도 2A에 도시된 전기자 접촉부에 대향하고 있다. 베이스 기판 접촉부, 제2 부하 신호선 및 전도 경로의 모양, 재료 및 두께는 일반적인 소자에 대한 고려사항 및 도 1 내지 5에 도시된 구체적인 실시예를 고려하여, 전기자 접촉부, 제1 신호선 및 전도 경로와 같은 방식으로 고려되어야 한다.

단면도인 도 2A 및 3A에 보이지 않는 도 1에 제공된 몇몇 구성요소들은 릴레이의 접촉 전기자(124)에 해당하는 것들이다. 상기 접촉 전기자는 주 전기자(principal armature) 또는 전기자 전극에 강성으로 접합된 영역(a region rigidly connected, 125)으로부터 자유롭게 휘어지는 영역(126)에 이르는 영역에 해당한다. 이 강성 연결 및 자유로운 영역의 기능적인 유용성은 단면도인 도 5A 및 도 5B에 표현되어 있다. 접촉 전기자는 정의된 바와 같이 절연 재료에 의하여 제작될 수 있는 것으로 생각될 수 있다. 본 발명에 따른 어느 소자들에 있어서, 접촉 전기자는 부하 전기자 또는 액츄에이터 전기자의 비활성화된 구성요소와 같은 재료로 제작될 수도 있다. 이러한 소자에 있어서, 접촉 전기자는 이러한 구성요소들과 함께 필수 구성요소이며, 강성으로 연결되는 것이 생각될 수 있다.

본 발명의 소자에 의하면, 접촉 전기자(contact armature)로 이용되는 절연재료는 실리콘, 질화 실리콘, 이산화 실리콘, 석영, 폴리이미드 또는 다른 절연 폴리머 등과 같은 미세공정 재료(microfabrication materials)를 포함한다. 그리고, 릴레이에 응용되는 접촉 전기자는 재료에 따라서 0.3㎛ 내지 1㎜ 사이의 두께를 갖는다. 본 발명의 소자가 매우 낮거나 또는 낮은 신호부하(signal loads)를 가질 때 접촉 전기자의 재료 두께는 0.3 내지 8㎛로 설정된다. 본 발명의 소자가 보통의 신호부하를 갖도록 응용될 때 접촉 전기자의 재료 두께는 4 내지 80㎛로 설정된다. 본 발명의 소자가 딱딱하거나 두꺼운 접촉 전기자를 필요로 하는 분야에 응용될 때(예를 들어, 높은 신호부하를 가질때) 접촉 전기자의 재료 두께는 50 내지 300㎛로 설정된다. 그리고, 본 발명의 소자가 큰 평면크기 및 높거나 매우 높은 신호부하를 갖는 분야에 응용될 때 접촉 전기자의 재료 두께는 200㎛ 내지 1㎜로 설정된다.

접촉 전기자의 평면 크기(Planar dimension)는 부하 신호 전기자 및 다형 엑츄에이터 전기자의 사이즈와 유사하거나 작다. 그리고, 릴레이가 래치 상태(latched state)를 유지할 있는 접촉력(Contct force)이 제공되기 위하여 평면 크기 각각의 폭 및 길이는 응용분야에 대응하여 2㎛ 내지 5㎜ 사이에서 결정된다. 본 발명의 소자가 매우 빠른 스위칭 스피드로 스위칭되기 위하여 낮거나 매우 낮은 신호부하를 가질 때 평면 크기는 2 내지 20㎛로 설정된다. 본 발명의 소자가 일반적으로 일반적인 신호 부하보다 낮은 신호부하를 가질 때 평면 크기는 10 내지 200㎛로 설정된다. 본 발명의 소자가 늦은 스피드로 스위칭되기 위하여 일반적인 신호 부하보다 높은 신호부하를 가질 때 평면 크기는 100㎛ 내지 1㎜로 설정된다. 그리고, 소자가 늦거나 매우 늦은 스피드로 스위칭되기 위하여 높거나 매우 높은 신호부하를 가질 때 평면 크기는 0.5 내지 5㎜로 설정된다. 이와 같은 신호 전기자의 범위는 적용되는 고정된 사각형 디자인 요소뿐만 아니라 하나 이상의 선형 또는 비선형 함수에 의하여 변화될 수 있다.

도 1-5에 도시된 본 발명의 실시 예에 의한 접촉 전기자는 100㎛폭(실리콘 질화물), 100㎛의 길이 및 6㎛의 두께를 갖는다. 이와 같은 소자는 보통의 파워 및 스피드의 처리능력으로 구동되며, 정전 래치 메카니즘 뿐만 아니라 압전 다형 구동을 포함한다.

도 4는 도 1의 단면도를 개략적으로 나타내는 도면으로, 다형 액츄에이터를 갖춘 릴레이를 도시한다. 베이스 기판(102)(고정된 부분) 상에는 도 2a 및 도 3a에 도시된 바와 같이 전기자가 구비된다. 이와 같은 본 발명의 실시 예에서 도 4에 도시된 다형(multimorph)은 압전 다형 액츄에이터라 가정한다. 액츄에이터는 상측이 제 1구동신호 연결부(140)와 전기적으로 접속되며, 하측이 제 2구동신호 연결부(142)와 전기적으로 접속된 상층 압전재료(113)를 구비한다.

본 발명의 실시 예에서 하측 재료(114)는 압전형 중성재료로 선택될 수 있다. 이와 같은 하측 재료(114)는 하측 표면에 부착된 전기자 전극과 접속된 전기적 연결선(116)을 갖는다. 또한, 본 발명의 다른 실시 예에 의하면 전기자 전극은 하측 재료의 상측 또는 중간부에 부착될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 전기자 접촉부의 전기적 연결부(121)는 전기자의 부하의 평탄한 표면에 접촉된다. 각각의 전기적 연결부는 다른 소자들에서 임의의 형태로 절연된 표면상에 위치될 수 있다. 여기서, 재료, 두께, 전기 경로의 구성, 다형 엑츄에이터 등은 이전 실시에에서 논의되어 졌다.

도 5a 및 도 5b는 도 1-5의 단면도를 개략적으로 나타낸 도면으로, 주 전기자 시스템의 자유 영역의 단면도를 도시한다. 일반적으로 당업자라면 릴레이 디자인에 있어서, 릴레이가 폐쇄 상태(Close State)로 있을 때 접촉부(contact elements)가 전기적 전도의 원인이 됨을 알고 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이 베이스 기판(102)(고정된 부분)은 베이스 기판의 표면에 부착된 접촉 전기자(124)를 구비한다. 접촉 전기자(124)는 주 전기자의 전기자 전극(115)에 부착되며, 전기자 접촉부가 위치한 자유단부(free end)를 구비한다. 베이스 기판 전극(117) 및 래치 전극 절연체(119)는 전기자 전극(115)과 대향되게 위치된다. 베이스 기판 접촉부(122)는 전기자 접촉부(120)와 마주보도록 베이스 기판(102)의 상측 표면에 위치되며, 전기자 접촉부의 전기적 연결부(123)는 전기자의 중심부까지 연결된다.

도 5b는 전기자 접촉부의 벤딩 기능(Bending function : 휘어짐 기능)을 도시하며, 릴레이가 패시브 상태에서 클로즈 및 래치 상태로 변경된 점을 제외하고는 도 5a와 동일하다. 여기서, 패시크 상태, 클로즈 및 래치 상태의 상세한 설명은 후술하기로 한다. 전기자는 전기자 접촉부와 및 베이스 기판 접촉부의 접촉력에 의하여 스프링력(spring force)을 생성한다. 래치전극(및 래치 전극 절연체)들의 초기 갭(Gap)은 접촉 전극들의 원래 갭보다 크게 설정되고, 이와 같은 차이는 릴레이가 클로즈 될 때 전기자 접촉부가 굴절량을 결정한다. 본 발명에 따른 다양한 소자들에서 접촉 전기자의 스프링력은 접촉 엘리먼트의 사이의 전체 접촉력이다. 접촉 전기자는 접촉 전극들 사이의 전체 접촉력의 일부에만 관여될 수도 있다. 다른 소자들에서 접촉 전기자는 접촉 엘리먼트 사이의 접촉력을 매우 작거나 없게 할 수 있다.

도 2a, 3a 및 도 5a에 도시된 릴레이의 제 1상태를 패시브 상태로 규정한다. 여기서, 패시브 상태에서는 릴레이는 소자로 제어신호를 공급하지 않는다. 이와 같은 자연적 상태에서 소자(device)의 안정성은 계측 기하학 및 주어진 릴레이의 제조에 의하여 정의된다. 도 2a, 3a, 및 도 5a는 본 발명에 따라서 디자인된 소자의 전형적인 전기자의 예를 나타낸다 이와 같은 예에서, 다형 엑츄에이터는 래치 전극들이 서로 떨어져 균형을 유지하고 있는 중립상태(릴레이의 콘택 엘리먼트가 관려되지 않는)를 갖는다. 본 발명의 실시 예에 따른 다른 소자들에서 다형 엑츄에이터 전기자 또는 부하 신호 전기자는 패시브 상태일 때 평면보다 위로 향할 수 있도록 설정될 수 있다. 그리고, 다른 소자들에서 다형 엑츄에이터 전기자는 또는 부하 신호 전기자는 패시브 상태일 때 평면보다 아래로 향할 수 있도록 설정될 수 있다.

만일 비활성 상태와 다른 릴레이 상태가 요구되면, 구동 제어 신호가 릴레이 액츄에이터로 제공될 수 있다. 소자의 기계적 제한들이 릴레이 전기자들이 더 이상 휘는 것을 방지하는 동작 결과의 예는 제 1 활성화 상태로 정의된 안정 상태이다. 도 3B의 상기 다형 액츄에이터가 구동 제어 신호로 인하여 아래 방향으로 휘어지면, 본 발명에 따른 소자에서 제 1 활성화 상태는 도 2B 및 3B와 같이 도시될 수 있다. 본 실시예에서 도 2A 및 3A의 전기자들은 기계적으로 결합될 수 있는데, 상기 액츄에이터 전기자에 유도된 아래 방향의 휨 일부 또는 전부가 부하 신호 전기자로 결합될 수 있다면 액츄에이터 접촉 부재와 베이스 접촉 부재가 만나는 점으로 휜다. 활성화 상태의 정의에 의해 상기 베이스 기판 전극의 래치 전극 절연체로 상기 전기자 전극의 접촉이 필요하지 않다는 것을 알 수 있다. 이런 접촉이 가능하며, 도 3B의 본 발명의 실시 예에 도시된다. 또한, 이런 접촉은 본 발명의 다른 실시 예에서는 발생하지 않는다.

릴레이의 동작 상태가 비활성 상태의 개방 접촉으로부터 상기 제 1 활성화 상태의 폐쇄 접촉으로 변화되면, 여러 응용에서 시간의 무한 구간에서 폐쇄된 접촉을 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 제 1 래치 상태로 정의된 다른 릴레이 상태는 그들을 끌어당기고 정전기력으로 잡기 위해 래치 제어 신호를 용량성 래치 부재로 제공함으로써 시작된다. 본 발명에 따른 여러 소자들에서 이런 동작들은 전기자 전극을 평평하게 하고 폐쇄된 접촉을 유지함으로써 이루어진다. 도 3C에 도시된 실시예는 전기자 전극이 평평해지면 부하 신호 전기자가 평평해지는 조건을 반영한다.

상기 제 1 래치 상태는 상기 액츄에이터로부터 구동 제어 신호가 제거되도록 하고, 상기 릴레이는 상기 제 1 래치 상태로 남는다. 상기한 실시예를 포함하는 어떤 소자에서는 최후에 제거된 상기 래치 제어 신호가 상기 릴레이를 다시 비활성 상태로 만들 수 있다. 어떤 소자에서, 상기 비활성 상태로의 귀환은 전기자 자체 내부로의 복원력으로 인해 일어난다. 다른 소자에서, 다형 액츄에이터로부터의 강제적인 보조가 상기 릴레이가 비활성 상태로 귀환되는 것을 도울 것이다. 이러한 보조의 예는 도 1 내지 5의 실시예에는 설명되지 않았지만, 도 11 내지 13의 실시예에서 설명될 것이다.

본 발명에 따른 어떤 소자에서, 도 3A, 3B 및 3C의 압전적으로 구동되는 전기자는 압전 계수가 0이 아닌 두개 또는 그 이상의 다형 물질들로 구성될 수 있다. 어떤 소자에서 0이 아닌 계수 물질 각각은 하나 또는 그 이상의 기술된 압전 세라믹 또는 크리스탈 물질로 이루어진 층이어야 한다. 이런 다형 액츄에이터에서, 상부 압전 물질은 하부 압전 물질이 수축된 동안 팽창할 수 있다. 이런 다형은 고정된 전체 액츄에이터 전기자 두께가 주어진 특별한 소자 설계에 유용할 수 있도록 두배 만큼의 힘을 발생시킨다.

하나 또는 그 이상의 압전층을 갖는 다형 액츄에이터는 도 3B에 제안된 것과 같은 폐쇄력 뿐만 아니라 개방력을 발생시키는 데 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 어떤 소자에서, 상기 다형의 개방력은 폐쇄 구동 제어 신호를 반전시키고, 그것의 반대 신호를 공급함으로써 실현될 수 있다. 상기 제어 신호의 극성에 따라 액츄에이터를 다른 방향으로 구동시키기 위한 능력은 압전 다형의 하나의 장점이다. 이 장점은 본 발명에 따른 압전 다형 소자들에 제공된다.

도 1 내지 5는 하나의 접촉 전기자를 구동하는 싱글 압전 다형 액츄에이터 구조를 특징으로 하는 실시예에 필요한 구조적 부재들을 설명한다. 본 발명은 정전 래치 작용을 갖는 다형 액츄에이터에 의해 구동되는 릴레이의 기능적 개념을 고려하도록 고안된다. 다형이 다른 액츄에이터 물질 조합으로 구성되거나, 릴레이가 다중 접촉 전기자들, 액츄에이터 전기자들 또는 그들로 구성된 다른 실시예들도 본 발명의 범위에 속한다. 도 6 내지 10은 전기자를 가지며 도 1 내지 5의 그것들과 동작 기능적으로 동등한 제 2 실시예를 도시한다. 평면도의 설명은 제 1 실시예와 동등한 방식의 상세 단면을 나타내는 도 7 내지 10과 함께 도 6에 도시된다. 제 1 실시예로부터 명백해지도록 하기 위해 제 2 실시예를 위한 도면 부호는 100 대신에 200부터 시작되며, 마지막 두 자리는 기능적으로 동등한 것을 의미한다.

도 6은 도 1의 릴레이와 같은 유사한 방법으로 두 개의 주요한 전기자 구조로 구성된 릴레이의 평면도이다. 도 6의 부재들은 액츄에이터에 존재하는 구성요소들과 이 실시예에서 필수 부재들에 대한 기하학적이고 물질적인 선택이 다를 뿐, 도 1의 부재들과 유사한 것으로 간주된다. 도 1의 매립된 부재들의 도시로서, 상면으로부터 보이지 않은 통상의 부재들은 명확하게 하기 위하여 파선으로 그려졌다. 구체적인 형상과 신호선 및 경로의 위치들은 설계자의 결정으로 하며, 도시적인 예의 목적을 위해 제공된 실시예에서 표현되어 있다. 상기 물질들, 두께들, 그리고 전자적인 경로들의 구성은 미리 언급된 것처럼 본 발명의 영역 내에서 탄력적으로 적용된다.

고정 베이스(201), 베이스 기판(202), 제1 (203) 및 제2 부하신호선(204), 제1(205) 및 제2 구동신호선(206), 그리고 제1(207) 및 제2 래치신호선(208)의 부재들은 도 1에 나타낸 것과 같다. 상기 액츄에이터 전기자(209)는 상기 베이스 기판에 정상적인 방향으로 휘기 위하여 일단이 고정(210)되고 타단(211)은 고정되지 않게 도시되어 있다. 상기 부하 전기자(259)는 잘 휘기 위하여 일단이 고정(260)되고 타단(261)이 고정되지 않은 것처럼 보여진다. 액츄에이터 래치전극(215)은 상기 필수의 액츄에이터 래치전극경로(216)일 뿐만 아니라, 상기 래치 신호제어선으로 보여질 수 있다. 현재 언급된 실시예에서 상기 액츄에이터 래치전극경로는 상기 전기자에서 금속성의 앵커영역의 수단으로 상기 베이스 기판까지 지시되어 있으며, 몇몇의 소자들은 솔더 범프 또는 다른 전도성의 기계적인 및 전자적인 연결일 것이다. 상기 기판래치전극(217)과 상기 제2 래치제어신호선으로 그 경로(218)는 도 6 및 8A에 보여진 것과 유사하다. 도 8A는 이 실시예가 상기 기판래치전극의 꼭대기에 래치전극절연체(219)가 구비되는 것을 도시한다. 상기 제1 부하신호선에 상기 액츄에이터 접촉부재(220) 및 액츄에이터 접촉부재경로(221)가 존재하고, 상기 기판접촉부재(222)에서 상기 제2 부하신호선까지 상기 전자적인 연결(223)이 되어 있다. 이 실시예에서 상기 액츄에이터 접촉부재경로는 상기 래치전극경로에 대해 언급된 것과 같은 유사한 수단으로 금속성의 앵커영역에 의해 상기 전기자에서 상기 베이스 기판까지 구성되어 있다. 상기 부하 전기자(224)는 일단(226)이 상기 래치전극들에 부착되어 있고 상기 전기자 접촉부재의 영역에서 휘도록(225) 고정되지 않는다.

이 실시예를 위한 상기 특정의 물질 및 형상은 빠른 스위칭 속도로 매우 낮은 부하 신호력을 핸들링할 수 있는 소자를 설계하기 위하여 선택되어지고 있다. 상기 부하 전기자는 각각 15㎛ 및 75㎛의 평면 폭과 길이를 가지며, 2㎛ 두께의 실리콘 질화물로 제조된다. 상기 부하신호경로 및 접촉부재들은 2㎛ 증착된 금으로 구성되어 있다. 상기 전기자 고정된 끝단에 부착된 상기 고정 베이스의 부분은 실리콘 핸들 웨이퍼의 한 단면이며, 금-백금 및 솔더 결합을 통해 세라믹 베이스 기판에 접착되어 있다. 상기 베이스 기판 상에 모든 전도체들은 2㎛ 두께의 금이다. 상기 래치전극절연체는 0.2㎛ 실리콘 질화물이다.

반면에 도 3A에 도시된 상기 액츄에이터는 압전 이형(bimorph)이고, 이 실시예에 대한 상기 주요한 액츄에이터는 열적 다형(multimorph) 이다. 상기 열적 다형은 두 개의 주요한 이형부재, 상부 열적 다형층(227) 및 하부 열적 다형층(228)의 구성으로 도시되어 있다. 이 실시예에서, 상기 상부 열적 다형층은 큰 열 팽창 계수로 설계되어졌다. 큰 열팽창 계수를 요구하는 열적 다형층을 위한 금속물질들 사용으로 열적 다형 구성의 분야에서 숙련된 기술로 통상적이다. 작은 열 팽창 계수를 요구하는 열적 다형층을 위한 절연물질들 사용하는 것은 통상적으로 널리 알려져 있다. 현재 언급된 실시예에서 상기 다형 모양은 상기 상부 다형층을 위한 2㎛ 두께 팔라듐과 상기 하부 다형층을 위한 2㎛ 두께 실리콘 질화물이다.

금속이 층(227)을 위해 사용될 수 있고 절연체가 층(228)을 위해 사용되는 본 발명에 따른 몇몇 소자들에서 계획되었다. 몇몇 소자들에서, 상기 물질들은 금, 구리, 은, 백금, 니켈 및 알루미늄과 같은 금속들을 포함하는 열적 다형 물질로 사용될 수 있다. 몇몇 소자들에서, 상기 물질들은 실리콘, 갈륨 비화물, 실리콘 게르마늄 및 인듐 인화물과 같은 반도체를 포함하는 다른 층을 위해 사용될 수 있다. 임의의 함금 또는 금속이나 반도체의 층을 이룬 결합은 본 발명에 따른 소자에 적용될 수도 있다. 또한, 상기 물질들은 실리콘, 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 석영, 또는 폴리이미드나 다른 절연 폴리머와 같은 절연체들을 포함하는 열적 다형 물질로 사용될 수 있다. 각각의 층들(227) 및 (228)은 액츄에이터에서 특정의 도구를 설계하기 위하여 다량의 층의 구성으로 할 수 있음은 알려져 있다.

상기 열적 다형 액츄에이터 층들의 두께는 0.1 내지 500㎛의 범위로 계획되어지며, 상기 물질, 제조공정, 용도 및 다른 부재들의 형상에 의존한다. 높거나 매우 높은 스위칭 속도를 가지고 낮은 신호부하로 매우 낮은 스위치인 본 발명에 따른 몇몇 소자에서, 층들(227) 및 (228)은 0.1 내지 3㎛ 두께 범위일 것이다. 높거나 중간의 스위칭 속도를 가지며 낮음 내지 중간의 신호 부하를 요구하는 용도에서, 층들(227) 및 (228)은 2 내지 30㎛ 두께 범위일 것이다. 또한, 어떤 소자들은 중간 내지 느린 스위칭 속도에서 중간 내지 비중이 큰 신호부하를 요구하는 용도로 필요한 것과 같은 더욱 두꺼운 다형 액츄에이터를 요구할 경우, 층들(227) 및 (228)은 20 및 200㎛ 두께 사이의 범위일 것이다. 느리거나 매우 느린 속도에서 높거나 매우 높은 신호부하 스위칭의 용도가 계획되어 졌을 경우, 물질들(227) 및 (228)은 150 및 500㎛ 두께 사이의 범위일 것이다. 상기 두께 또는 다형층들의 두께범위는 다른 층들과 유사하지 않음은 당연하다.

도 8은 가열부(229)의 단면도를 표시하고 있다. 어느 소자들에 있어서, 이 가열부는 부도체 층의 표면에서 저항이 있는 도체의 경로와 같다. 이것을 구체적으로 보면 이 가열부는 0.3 μm 두께의 니켈 크롬 합금으로 만들어진다. 이 발명에 따른 소자를 보면 가열부는 0.001~10 ohm-cm 사이의 저항을 가진 재료로 만들어질 수 있다. 가열부는 금속이나 반도체 물질로 구성될 수 있다. 이것은 가열부의 두께를 0.05~10 μm 사이로 고려한 것이다. 이것을 보면 저항체의 저항은 0.1 ohm-cm보다 작고, 두께는 0.05~2 μm 사이일 수 있다. 이것을 더 상세히 보면 저항체의 저항은 0.1 ohm-cm보다 크고 두께는 0.5~10 μm 사이이다.

도 8A에는 가열부 절연체(230)가 표현되어 있다. 이것을 자세히 보면 가열부는 전기적으로 전도성의 다형 층으로부터 분리되어 있다. 만약 본 발명에 따른 소자에서 상부의 열적 다형 층(upper thermal multimorph layer, 227)이 금속으로 구성되어 있다면, 절연체 층은 가열부(229)가 올바르게 동작하도록 가열부(229)와 상부의 열적 다형 층(227)을 절연시킬 것이다. 이것을 더욱 상세히 살펴보면, 상부의 열적 다형 층(227)은 전도성이므로, 가열부로부터 절연시키는 것이 이익이 된다. 이것을 더욱 상세히 묘사하면 하부의 다형 층(228)은 절연체이다. 그러므로 인접한 가열부의 간섭 없이 정상 동작할 것이다.

가열부 절연체는 이미 정의된 래치 전극 절연체와 같은 절연 재료로 제작된다. 본발명에 따른 소자를 보면, 가열부 절연체로 사용될 수 있는 재료들은 질화 실리콘, 이산화 실리콘, 석영, 또는 폴리이미드(polyimide) 또는 다른 절연 폴리머들을 포함할 수 있다. 가열부 절연체로 사용되는 물질은 특정 소자의 제작에 사용되는 다른 재료의 층들에 비하여 상대적으로 얇으며, 0.05~ 3 μm의 두께를 가진다. 절연부의 물질 두께는 0.05~0.5 마이크로미터 사이가 될 수 있다. 이 범위의 절연부의 얇은 층은 전기장의 힘에 의한 유전체의 파손을 막기에 충분한 질을 요구한다. 높은 품질의 질화 실리콘의 가열부 절연체는 0.1 μm의 두께를 가진다. 높은 품질의 절연 물질들이 사용 불가능한 다른 소자에 있어서, 래치 전극 절연체의 재료 두께는 0.3~ 3 μm의 두께를 가진다.

도 9는 다형 액츄에이터와 결합된 릴레이의 일부를 보여주며, 도 6에 예시된 소자의 개략적인 단면도이다. 고정된 베이스의 일부인 베이스 기판(202)은 베이스 기판의 상부 표면 상부에 매달려 있는 도 7a 및 7b의 전기자와 함께 본 도에 예시되어 있다. 앞서 언급된 본 발명의 실시예에서, 도 8의 다형은 열적 다형 엑츄에이터(thermal multimorph actuator)이다. 액츄에이터는 도시된 제1 구동신호 연결부(240) 및 제2 구동신호 연결부(241)의 전기 연결부를 가지는 상부 열적 다형 층(227)을 포함하며, 각각은 가열부 자체의 일부를 형성하며 가열부 절연체(229)에 의해 둘러싸인다. 하부 열적 다형 층(241)은 액츄에이터 전기자(209)와 동일한 재료로 이루어지며, 액츄에이터 래치 전극 경로(216)는 전기자의 바닥 표면에 도시되어 있다. 부하 신호 경로(221)는 동일한 형태로 부하 전기자의 바닥 표면에 도시되어 있다. 구동 신호 경로는 가열부의 0.3um 니켈-크롬 합금으로 제조되며, 래치 신호 경로는 0.2um 니켈 층으로 제조되고, 부하 신호 경로는 2um 스퍼터링된 금 층으로 제조된다.

도 10a 및 10b는 주 전기자(principal armature) 시스템의 진공 영역(free region)에서 절단된 단면도를 도시한다. 릴레이가 닫힌 상태에 있을 때 이 영역은 전기적 전도성을 위한 접촉부를 포함한다. 고정된 베이스의 일부인 베이스 기판(202)이 베이스 기판 상부 표면 상부에 매달려 있는 접촉 전기자(224)와 함께 도시되어 있다. 접촉 전기자(225)는 전기자 전극(215)의 위치에서 주 전기자에 부착되어 있다. 베이스 기판 전극(217)은 전기자 전극에 대향하며 래치 전극 절연체(219)에 부착되어 있다. 베이스 기판 접촉부(222)는 전기자 접촉부와 마주하는 베이스 기판의 상부 표면 상부에 위치한다. 접촉 전기자의 굽힘 기능이 도 10b에 예시되어 있으며, 릴레이는 닫힌 상태이며 수동 상태 라기보다는 래치 상태라는 점을 제외하면 도 10a 와 동일한 단면도를 나타내고 있고, 이 상태에 대해서는 도 5a 및 5b 의 상세한 설명에서 언급되었다.

도 11은 제3 실시예를 개략적으로 도시하는 기능 평면도이며, 여기서 릴레이는 앞서 언급된 제1 실시예에서와 마찬가지로 두 개 대신에 세 개의 주 전기자로 구성된다. 도 11의 릴레이는 액츄에이터 전기자가 부하 신호 전기자에 수직하도록 설계되었다. 평행 또는 수직하는 액츄에이터 전기자에 대한 구성 및 특정 소자 설계에서 각 전기자의 특정 번호는 다양한 물질, 외형구조, 및 응용에서 당업자가 결정하는 특징이라는 것이 인지되어야 한다. 도 12는 수동, 개방 상태에서의 부하 전기자의 개략적인 단면도이다. 도 13a 내지 13d는 본 실시예의 열적 다형 액츄에이터 및 접촉 전기자의 개략적인 단면도이다. 제3 실시예의 도면 번호는 300 부터 시작하며, 명확성을 위해서, 뒷 두자리는 제1 및 제2 실시예와 동일한 기능을 나타낸다.

도 11의 구성 요소는 도 1 및 6의 구성요소와 동일한 것으로 가정되며, 액츄에이터 성분에서는 다르게 예시되며, 본 실시예에서 동일한 요소로서는 외형구조 및 재료 선택이다. 도 1 및 6의 외부로 보이지 않는 요소의 예시와 마찬가지로, 평면도로부터 실질적으로 보이지 않는 구성요소는 명확성을 위해서 쇄선으로 개략화되어 있다. 신호 선 및 경로의 특정 외형 구조 및 위치는 설계자의 결정이며, 예시를 위해서 제안된 실시예에 표현되어 있다. 전기 경로의 재료, 두께 및 구성은 앞서 언급된 본 발명의 범주 내에서 적응적이라는 것이 고려되어야 한다.

고정베이스(301)의 구성은 베이스기판(302), 제 1 및 제 2 부하신호선(303,304), 제 1 및 제 2 구동신호선(305,306) 및 제 1 및 제 2 래치신호선(307,308)들로 나타난다. 폐쇄된 액츄에이터 전기자(309)는 한쪽 끝(310)은 고정되고 한쪽 끝(311)은 베이스기판에 고정되지 않고 표준적인 베이스 기판 방향으로 휜다. 부하전기자(359)는 한쪽 끝(360)은 고정되고 한쪽 끝(361)은 고정되지 않고 표준적인 베이스 기판에 휘어 폐쇄된 액츄에이트전기자에 수직하게 나타난다. 개방된 액츄에이터전기자(389)는 폐쇄된 액츄에이터전기자와 반대로 나타나며, 미러형태인 고정된 끝단(390)과 고정되지 않은 끝단(391)을 구비한다.

전기자의 구성은 느린 스위칭속도에서 큰 부하신호가 실행되도록 고안되었다. 전기자의 기본적인 물질은 12㎛ 의 두께를 갖는 싱글크리스탈 실리콘층이다. 부하전기자는 200㎛의 폭과 800㎛의 길이를 갖는다. 액츄에이터 전기자는 250㎛의 폭과 650㎛의 길이를 갖는다. 부하신호의 선과 경로는 8㎛ 두께의 구리 합금으로부터 구성된다. 제어신호와 래치신호의 선과 경로는 스퍼터된(Sputtered) 2㎛ 두께의 니켈-크롬 합금으로부터 구성된다.

하나의 액츄에이터 래치전극(315)은 폐쇄된 액츄에이터전기자에 나타나고, 제 2 래치전극(365)은 개방된 액츄에이터전기자에 나타난다. 필요한 래치 전극 경로(316,366)와 래치신호제어선(307,357)들은 각각 도 13A에 명백히 보여진다. 폐쇄된 액츄에이터전기자 기판 래치전극(317)에서 제 2 래치제어신호선의 제 2 기판레치전극경로(318)는 보여진다. 비슷한 방식으로, 개방된 액츄에이터전기자의 기판레치전극 경로(378)는 도 11에 도시되어 있다. 액츄에이터 접촉부(320)와 제 1 부하신호선에 접한 부하 신호경로(321) 도 11 및 도 12에서 볼 수 있다. 기판 접촉물질에서 제 2 부하신호선 간의 기판접촉물질경로(323)는 도 12에 명백히 도시되어 있다.

듀얼전기자로 고안되어 있는 도 11의 릴레이에 의해, 다중접촉전기자들은 존재한다. 폐쇄된 액츄에이터 접촉 전기자(324)는 래치 전극의 한쪽 끝(326)에 고정되고 전기자접촉물질의 영역에서 고정되지 않고 휘어(325) 있다. 개방된 액츄에이터 접촉전기자(374)는 래치 전극의 한쪽 끝(326)에 고정되고 전기자접촉물질의 영역은 고정되지 않고 휘어(325) 있다. 폐쇄된 액츄에이터는 종래구성에서의 열적 다형과 같이 비슷한 물질과 외형적인 컨시더레이션(Consideration)을 갖는 상부 열적 이형 층(327)과 하부 열적 이형 층(328)으로 구성되고 도 13A에 명백히 표현되어있다. 개방된 액츄에이터는 하부에 형식적인 액츄에이터층(378)가 있는 확장된 열적 이형 층(377)으로 구성된다.

저항성분이 있는 폐쇄된 가열부(329)는 폐쇄된 이중액츄에이터를 가열하는 방법에 전기적인 전류로 구성되는 제어신호를 제공한다. 상기에 논의된 저항성분(229)에서 처럼, 절연층(330)의 표면 상의 저항성분이 있는 일정하지 않은 경로를 갖는 요소는 고려되어야 한다. 종래 구성에서 논의된 것과 유사한 요소의 물질과 두께는 더욱 고려되어야 한다. 개방된 가열부(379)는 비슷한 방식으로 개방된 이형액츄에이터가열 방식을 제공한다. 이러한 요소는 가열부 절연체(380)에 의해 전기적으로 절연된다. 듀얼 열적 이형액츄에이터의 고정빔(fixed-beam)은 캔틸레버(Cantilever)배치에 대한 운동이 강제영역에 결과로 나타나는 것으로 인식한다.

도 13A는 도 11에 묘사된 열적 이형액츄에이터릴레이의 실시예의 단면도이고, 도 11과 도 12에 있는 요소와 일치하고, 액츄에이션 또는 래치신호의 적용이 없는 중립상태이다. 반대 방향으로의 동작하는 두 개의 액츄에이터의 현재 논의되는 실시예를 인식하여야 한다. 이러한 구성에서, 폐쇄된 액츄에이터는 폐쇄된 제어신호(closing control signal)가 인가되는 동안 아래 방향으로 전기자 접촉부를 휘게 하고, 반면에 개방된 액츄에이터는 개방된 제어신호(opening control signal)가 인가되는 동안 일반적인 베이스기판을 위로 휘게 한다.

도 6 내지 10에 도시된 릴레이 상태의 실시예는 도 1 내지 5의 제 1 실시예와 동일하다. 종래의 실시예에서와 비슷한 방식으로, 도 13B는 안정적인 제 1 활성상태에서 소자의 단면도를 나타내고, 소자의 기계적인 제한은 더 큰 전기자 휨을 방지한다. 접촉전기자의 고정빔과 벤딩력에 의해 강하게 강제하여,도 13B의 폐쇄된 액츄에이터는 구동제어신호에 의해 아래 방향으로 회전한다. 본 발명의 실시예에서의 기계적으로 연결되어 있는 도 12 및 13의 전기자는 부분 또는 전체가 아래 방향으로 구부려져 있어 액츄에이트 전기자가 부하신호 전기자에 연결되는 것이 유도되며, 액츄에이터 접촉부와 베이스 접촉부가 만나는 지점에서 휘어 있는 것을 고려한다. 베이스기판 전극의 래치전극 절연체에 전기자 전극의 접촉은 보여지는 것이 필요하지 않은 것이 인식된다.

이러한 구성에서 제 1 래치된 상태는 래치전극이 끌어당기는 것과 전기력과 함께 유지되도록 하는 래치제어신호의 인가에 의해 초기화된다. 본 발명에 따른 많은 소자에서 이러한 동작에 따라 전기자 전극을 평평하게 하는 것과 인접한 접촉을 유지한다. 도 13C에 도시되어 있는 실시예는 소정의 조건을 반영한다. 제 1 래치된 상태는 전기자로부터 구동제어신호의 이전을 가능하게 한다. 그리고, 릴레이는 제 1 래치된 상태를 유지한다.

몇몇 소자를 고려하면, 래치제어신호의 최근 이전은 전기자의 내부의 복구력에 의해 릴레이가 비활성상태로 돌아가게 할 수 있다. 반면에 현재 논의된 실시예를 포함하는 다른 소자는, 개방된 액츄에이터의 릴레이의 복구의 보조로부터 비활성상태까지 강제적인 보조를 고려한다. 도 12D는 상기의 제 2 활성상태인 이러한 새로운 안정적인 상태를 설명하며, 구동개방신호는 개방신호선에 인가되고 래치방지신호와 다른 제어신호들이 인가된다. 개방된 액츄에이터의 열작 다형은 활성 되었을 때 위쪽 방향으로 회전하도록 고안되며, 도 13D에 도시되어 있다. 액츄에이터 전기자의 고정된 빔 조건에 이해 강제됨에도 불구하고, 위쪽방향으로의 회전이 나타난다.

본 발명에서의 다양한 변형과 적용은 기술 범의의 내에서 명백히 이해될 것이며, 이러한 변화와 적용은 본 발명의 기술적 사상과 범위를 변경하지 않고 부가적인 장점을 감소하지 않는다.

Claims

기판;

기판에 부착된 베이스;

제 1 부하 신호선과 제 2 부하 신호선을 포함하는 부하 신호선들;

제 1 구동 신호선, 제 2 구동 신호선, 제 1 래치 신호선 및 제 2 래치 신호 선을 포함하는 제어 신호선들;

래치 전자기 구조를 포함하며, 상기 래치 전자기 구조는, 상기 베이스에 부착된 앵커 영역, 상기 앵커에 부착된 제 1 영역 및 패시브 위치 및 래치된 위치 간에 이동 가능한 제 2 영역을 포함하며, 자극에 응답해서 제 1 값으로 크기가 변화하는 제 1 재료와 상기 자극에 기인하여 제 2 값으로 변화하는 제 2 재료를 더 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 값은 동일하지 않으며 편향력을 상기 자극에 응답하여 래치 편향 영역에 인가하며 상기 편향력은 상기 제 2 영역을 상기 패시브 영역으로부터 상기 래치된 위치로 이동하게 하는 래치 편향 영역, 상기 래치 편향 영역의 상기 제 2 영역의 저부 표면의 일부에 위치되며 상기 제 1 래치 신호선에 전기적으로 접속된 제 1 래치 전극, 통상 상기 제 1 래치 전극 하부의 기판상에 형성되며 상기 제 2 래치 신호선과 전기적으로 접속된 제 2 래치 전극, 상기 편향 영역의 상기 제 2 영역이 래치된 위치에 있을 때 상기 제 1 래치 전극과 상기 제 2 래치 전극 간의 전기적 접촉을 방지하는 래치 전극 절연체를 포함하는 컴파운드 전자기 구조;

상기 제 1 구동 신호 선에 전기적으로 접속된 제 1 구동 전극과 상기 제 2 구동 신호선에 전기적으로 접속된 제 2 구동 전극을 포함하며 상기 자극을 상기 래치 편향 영역에 인가하기 위한 수단;

부하 전기자 구조를 포함하되, 상기 부하 전기자 구조는 상기 베이스에 부착된 앵커 영역, 상기 부하 전기자 구조를 상기 래치 전기자 구조에 결합하는 결합 영역, 상기 앵커 영역에 부착된 제 1 영역 및 상기 개방 위치 및 폐쇄된 위치 간에 이동 가능하며 상기 폐쇄된 위치는 상기 래치 영역의 상기 제 2 영역이 래치된 위치에 있을 때 설정되는 제 2 영역을 포함하는 접촉 편향 영역, 상기 접촉 편향 영역의 상기 제 2 영역의 저부 표면의 일부에 형성되며 상기 제 1 부하 신호선에 전기적으로 접속된 제 1 접촉 전극,상기 제 2 부하 신호선에 전기적으로 접촉되고 통상 상기 제 1 접촉 전극 하부의 기판상에 위치되는 제2 접촉 전극을 포함하며, 상기 제 1 접촉 전극과 상기 제 2 접촉 전극은 상기 접촉 편향 영역이 폐쇄된 위치에 있을 때 접촉력을 갖는 전기적 접촉을 생기게 하고, 상기 접촉 편향 영역은 상기 래치 편향 영역과 연관하여 이동하는 것을 특징으로 하는 미세조립 릴레이.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 재료는 제 1 열팽창 계수를 가지며, 상기 제 2 재료는 제 2 열팽창 계수를 가지며 상기 제 1 구동 전극과 상기 제 2 구동 전극 간에 흐르는 전류는 열적 자극을 제공하며 그로 인하여 상기 래치 전기자 구조의 래치된 편향 영역 내에서 편향력을 생성하는 것을 특징으로 하는 미세조립 릴레이.
제 2 항에 있어서,

열저항부를 통해 흐르는 상기 전류는 상기 래치 전기자 구조의 래치 편향 영역에 결합되는 것을 특징으로 하는 미세조립 릴레이.
제 3 항에 있어서,

상기 열저항부는 제 1 물질의 층에 포함되는 미세조립 릴레이.
제 3 항에 있어서,

상기 열저항부는 제 1 물질의 층과 제 2 물질의 층 사이에 포함되는 미세조립 릴레이.
제 1 항에 있어서,

상기 래치 전극 절연체는 상기 제 1 래치 전극 상부에 형성되는 미세조립 릴레이.
제 1 항에 있어서,

상기 래치 전극 절연체는 상기 제 2 래치 전극 상부에 형성되는 미세조립 릴레이.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 재료의 층은 압전성 반응의 제 1 레벨을 갖고, 상기 제 2 재료의 층은 압전성 반응의 제 2 레벨을 갖으며, 전압은 상기 제 1 구동 전극과 상기 제 2 구동 전극 사이에 공급되어 압전성 자극을 공급하고 이에 따라 래치 전기자(latch armature) 구조의 래치 편향 영역에서 편향력(deflection force)을 발생시키는 미세조립 릴레이.
제 8 항에 있어서,

상기 제 1 재료 또는 제 2 재료의 하나는 근본적으로 제로값인 압전성 반응의 레벨을 갖는 미세조립 릴레이.
제 8 항에 있어서,

상기 래치 편향 영역은 제 3 재료의 층을 더 포함하되,

상기 제 3 재료은 압전성 반응의 제 3 레벨을 갖고, 상기 압전성 반응의 제 3 레벨은 0이 아니며,

상기 전압은 제 3 재료의 층을 통해 상기 제 1 구동 전극과 상기 제 2 구종 전극 사이에 공급되고,

상기 제 3 재료의 층의 상기 압전성 반응은 상기 래치 전기자(armature) 구조의 래치 편향 영역에서 발생된 편향력(deflection force)을 주는 미세조립 릴레이.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 재료의 층은 내부 스트레스의 제 1 초기 레벨을 갖고, 상기 제 2 재료의 층은 내부 스트레스의 제 2 초기 레벨을 갖으며, 상기 내부 스트레스의 상기 제 1 및 제 2 초기 레벨중 적어도 하나는 압축력이 있으며,

상기 래치 전기자(latch armature) 구조로의 물리적 편향 자극의 적용은 상기 물리적 편향 자극의 방향에서 상기 래치 전기자(latch armature) 구조를 휘게(buckling) 하고, 휨은 초기 스트레스의 압축력 있는 초기 레벨의 일부에서 풀리며, 그에 따라 래치 편향 영역의 제 2 영역이 래치된 위치로 이동되는 미세조립 릴레이.
제 11 항에 있어서,

외부 물리적 수단은 상기 래치 전기자(latch armature) 구조로의 상기 물리적 편향 자극을 공급하는 미세조립 릴레이.
제 11 항에 있어서,

상기 래치 편향 영역의 반응으로부터의 자극은 상기 래치 전기자(latch armature) 구조로의 물리적 편향 자극을 공급하는 미세조립 릴레이.
제 13 항에 있어서,

상기 자극은 열 자극인 미세조립 릴레이.
제 13 항에 있어서,

상기 자극은 압전성 자극인 미세조립 릴레이.
제 11 항에 있어서, 상기 물리적 편향 자극의 최소 영역은 형상 메모리(shape-memory) 효과에 의해 공급되며, 제 1 재료의 층은 확장되는 형상 메모리 효과의 제 1 레벨을 갖고, 제 2 재료의 층은 형상 메모리 효과의 제 2 레벨을 갖는 미세조립 릴레이.
기판;

제1 베이스 및 제2 베이스;

제1 부하신호선 및 제2 부하신호선을 포함하는 부하신호선들;

제1 구동신호선, 제2 구동신호선, 제1 래치신호선, 및 제2 래치신호선을 포함하는 제어신호선들; 및

복합 전기자(compound armature) 구조를 포함하고,

상기 복합 전기자 구조는,

상기 제1 베이스에 부착된 제1 앵커영역,

상기 제2 베이스에 부착된 제2 앵커영역,

상기 제1 앵커영역에 부착된 제1 영역, 상기 제2 앵커영역에 부착된 제2 영역, 및 패시브 위치와 래치된 위치 사이에서 이동가능한 제3 영역을 포함하고, 자극에 응답하여 제1 값(amount)으로 크기를 변경하는 제1 물질과 상기 자극에 기인하여 제2 값으로 크기를 변경하는 제2 물질을 더 포함하는 래치 편향(deflection) 영역을 포함하고, 상기 제1 및 제2 양들이 동등하지 않고 상기 자극에 응답하여 상기 래치 편향 영역에 편향력(deflection force)을 인가하고, 상기 편향 힘은 상기 패시브 위치로부터 상기 래치된 위치를 향하여 상기 제2 영역을 이동시키기 쉬운 래치 전기자 구조;

상기 래치 편향 영역의 상기 제1 영역의 하부(lower) 표면의 일부에 위치되고 상기 제1 래치 신호 선에 전기적으로 연결되는 제1 래치 전극(electrode);

상기 래치 편향 영역의 상기 제2 영역의 하부 표면의 일부에 위치되고 상기 제 1 래치 신호 선에 전기적으로 연결되는 제2 래치 전극;

상기 제1 래치 전극 아래에 전반에 걸쳐 상기 기판에 형성되고 상기 제2 래치 신호 선에 전기적으로 연결되는 제3 래치 전극;

상기 제2 래치 전극 아래에 전반에 걸쳐 상기 기판에 형성되고 상기 제2 래치 신호 선에 전기적으로 연결되는 제4 래치 전극;

상기 래치 편향 영역의 상기 제3 영역이 상기 래치된 위치에 있을 때, 상기 제1 래치 전극과 상기 제3 래치 전극 사이의 전기적인 접촉을 방지하는 제1 래치 전극 절연체;

상기 래치 편향 영역의 상기 제3 영역이 상기 래치된 위치에 있을 때, 상기 제2 래치 전극과 상기 제4 래치 전극 사이의 적기적인 접촉을 방지하는 제2 래치 전극 절연체;

상기 제1 구동 신호 선에 전기적으로 연결되는 제1 구동 전극과, 상기 제2 구동 신호 선에 전기적으로 연결되는 제2 구동 전극을 포함하고, 상기 래치 편향 영역에 상기 자극을 인가하는 수단; 및

부하 전기자 구조를 포함하고,

상기 부하 전기자 구조는,

제3 베이스에 부착되는 앵커영역;

상기 부하 전기자 구조와 상기 래치 전기자 구조를 결합하는 커플링 영역;

상기 제3 앵커영역에 부착된 제1 영역과, 개방위치와 상기 래치 편향 영역의 상기 제3 영역이 상기 래치된 위치에 있을 때 설정되는(established) 폐쇄위치 사이에서 이동가능한 제2 영역을 포함하는 접촉 편향 영역;

상기 접촉 편향 영역의 상기 제2 영역의 하부 표면의 일부에 형성되고, 상기 제1 부하 신호 선에 전기적으로 연결되는 제1 접촉 전극; 및

상기 제2 부하 신호 선에 전기적으로 연결되고 상기 제1 접촉 전극 아래에 전반에 걸쳐 상기 기판에 위치되는 제2 접촉 전극을 포함하고, 상기 제1 접촉 전극과 상기 제2 접촉 전극은 상기 접촉 편향 영역이 상기 폐쇄위치에 있을 때, 접촉력(contact force)을 가지는 전기적인 접촉을 만들어 내고, 상기 접촉 편향 영역은 상기 래치 편향 영역과 함께 이동하는 미세조립 릴레이.
제17항에 있어서,

상기 제1 접촉 전극은 상기 래치 편향 영역의 상기 제3 영역의 하부 표면에 형성되고, 상기 제1 래치 전극과 상기 제2 래치 전극 사이에 위치되는 미세조립 릴레이.
제17항에 있어서,

상기 래치 편향 영역은 제2자극(second stimulus)에 반응하여 제3값에 의하여 크기를 변화시키는 제3재료와 제2자극에 기인하여 제4값에 의하여 크기를 변화시키는 제4재료로 이루어지되,

상기 제3값 및 제4값은 동일하지 않으며, 제2자극에 반응하여 편향력을 래치 편향 영역으로 인가하고, 상기 편향력은 래치된 위치에서 패시브 위치(비활성위치)를 향하여 제2영역을 움직시키며,

래치 편향 영역에서 제3재료와 제4재료에 제2자극을 인가하는 수단은 제3구동 신호선에 전기적으로 연결된 제3구동전극과 제4구동신호선에 전기적으로 연결된 제4구동전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세조립 릴레이.
제1항에 의하여 구성된 미세조립 릴레이를 동작하는 방법으로,

래치 전기자 구조의 제2영역이 패시브 위치에 놓이는 단계와 부하 전기자 구조의 제2영역이 개방 위치에 놓이는 단계로 이루어지는 패시브 상태를 설정하는 단계;

제1구동전극과 제2구동전극 사이에서 제1전압이 인가되는 래치 전기자 구조에 자극을 인가하는 제1활성화상태를 설정하는 단계로서, 래치 전기자 구조의 편향 영역에 편향력을 인가하기 위하여 충분한 크기와 지속시간의 전압과, 제2래치전극에 밀접하게 근접하도록 제1래치전극을 움직여서 래치된 위치를 설정하기에 충분한 편향력과, 커플링영역을 통하여 접촉편향영역으로 전달되며, 제1접촉전극을 제2접촉전극과 전기적으로 접촉하도록 이동시키는 편향력으로 이루어져 제1부하신호선과 제1부하신호선 사이에서 전기적 접촉을 이루는 단계;

제2전압이 제1래치전극과 제2래치전극 사이에서 인가되고, 제2전압은 제1래치전극과 제2래치전극 사이에서 정전부착 (electrostatic attachment)상태를 야기하고, 상기 정전부착 상태는 제1전압의 연속인가 없이 래치된 위치를 유지하기에 충분한 강도를 유지하며, 상기 제1전압은 개략적으로 제로값으로 감소하고, 제2전압은 일정한 시간동안 유지되고, 제2전압은 개략적으로 제로값으로 맞추어짐으로써 미세조립 릴레이가 패시브 상태로 회복하는것이 가능하도록 하는 제1래치화 상태를 설정하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세조립 릴레이의 동작방법.