KR20080001241A - Ｍｅｍｓ 스위치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 MEMS 스위치는, 기판; 상기 기판에 형성된 적어도 하나의 신호라인 및 전극; 및 상기 기판의 상부에 소정의 간격을 두고 설치되며, 상기 전극의 동작에 따라 상기 신호라인과 전기적으로 단락되는 가동빔;을 포함하며, 상기 가동빔은, 몸체부; 및 상기 몸체부를 지지하는 지지부;를 포함하며, 상기 몸체부의 탄성계수가 상기 지지부의 탄성계수보다 큰 것을 특징으로 한다. 이에 의하면, 가동빔의 고착을 방지하며, 가동빔과 신호라인 사이에 발생하는 접촉력을 증가시킴으로써 안정적인 신호전달이 가능하다.
MEMS, 스위치, 기판, 전극, 가동빔, 고착, 접촉력

Description

ＭＥＭＳ 스위치 및 그 제조방법{ＭＥＭＳ SWITCH AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
도 1a 및 1b는 일반적인 MEMS 스위치의 개략적인 구조도,
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 스위치의 개략적인 구조도,
도 2b는 도 2a에 나타낸 가동빔의 사시도,
도 2c는 도 2a에 나타낸 MEMS 스위치의 동작을 나타낸 도면,
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 MEMS 스위치의 개략적인 구조도,
도 3b는 도 3a에 나타낸 가동빔의 사시도,
도 3c는 도 3a에 나타낸 MEMS 스위치의 동작을 나타낸 도면,
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 MEMS 스위치의 개략적인 구조도,
도 4b는 도 4a에 나타낸 가동빔의 사시도, 그리고,
도 4c는 도 4a에 나타낸 MEMS 스위치의 동작을 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 기판 20 : 신호라인
30 : 전극 40 : 가동빔
41 : 몸체부 42 : 지지부
본 발명은 MEMS 스위치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
MEMS(Micro ElectroMechanical System)란 반도체 가공기술을 이용하여 마이크로 스위치, 미러, 센서, 그리고 정밀기계부품 등을 가공하는 기술분야를 말한다. 따라서, 반도체 기술이 갖는 정밀 가공성, 제품간 균일성, 우수한 생산성 등이 적용되어 성능을 향상시키고 가격을 낮추는 기술로 인정되고 있다.
상기한 바와 같은 MEMS 기술을 이용한 소자들 중 현재 가장 널리 제작되고 있는 것은 MEMS 스위치이다. MEMS 스위치는 마이크로파나 밀리미터파 대역의 무선통신 단말기 및 시스템에서 신호의 선별 전송이나 임피던스 정합회로 등에서 많이 응용되는 소자이다.
일반적인 MEMS 스위치는 기판상에 신호라인 및 전극이 형성되고 기판의 상부에 소정의 간격을 두고 가동빔이 설치되어 전압 인가에 따라 신호라인과 전기적으로 단락된다. 그러나, 가동빔은 수백㎛의 길이에 비해 두께가 대략 1~2㎛ 정도로 매우 얇기 때문에 전극에 전압이 인가되면 가동빔은 전체적으로 하방으로 많이 휘어지게 된다. 따라서, 가동빔은 복귀력이 저하되어 고착(Stiction) 등 문제가 발생한다.
한편, 이러한 문제를 해결하기 위한 MEMS 스위치에 관한 것으로 미국특허번호 US 6,949,866 및 US 6,876,462 등이 개시된 바 있다. 개시된 MEMS 스위치는 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 기판(1)의 상면 또는 가동빔(5)의 하면에 가동빔(5) 의 고착을 방지하기 위한 범프(bump)(7)를 구비한다. 따라서, 전극(2)에 전압이 인가되어 가동빔(5)이 하방으로 움직일 때 가동빔(5)은 범프(7)에 의해 지지되어 복귀력이 향상되기 때문에 가동빔(5)이 고착되는 것을 방지할 수 있다.
개시된 MEMS 스위치의 동작시 가동빔(5)과 신호라인(3) 사이에 발생하는 접촉력(Contact force, Fc)은 아래 수학식 1과 같다.
Fc = Fe - (Fr + Fb)
상기 수학식 1에서 나타낸 바와 같이, 접촉력(Contact force, Fc)은 전극(2)과 가동빔(5) 사이에 발생하는 정전력(Electrostatic force, Fe )에서 가동빔(5)의 지지부(4)에서 발생하는 반력(Reaction force, Fr)과 범프(7)에 의한 반력(Force on bumps, Fb)을 차감한다. 즉, 개시된 MEMS 스위치에서 접촉력(Fc)은 범프(7)에 의해 차감되는 반력(Fb)을 포함한다. 따라서, 가동빔(5)과 신호라인(3) 사이에 발생하는 접촉력(Fc)이 작아지기 때문에 안정적인 신호전달에 문제가 있다. 또한, 가동빔(5)의 고착을 방지하기 위해 범프(7)를 추가 설치하는 공정이 필요하기 때문에 작업의 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 가동빔의 고착을 방지하며, 가동빔과 신호라인 사이에 발생하는 접촉력을 증가시킴으로써 안정적인 신호 전달이 가능하도록 구조가 개선된 MEMS 스위치 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 MEMS 스위치는, 기판; 상기 기판에 형성된 적어도 하나의 신호라인 및 전극; 및 상기 기판의 상부에 소정의 간격을 두고 설치되며, 상기 전극의 동작에 따라 상기 신호라인과 전기적으로 단락되는 가동빔;을 포함한다. 상기 가동빔은, 몸체부; 및 상기 몸체부를 지지하는 지지부;를 포함하며, 상기 몸체부의 탄성계수가 상기 지지부의 탄성계수보다 크다.
상기 가동빔은, 상기 몸체부의 두께가 상기 지지부의 두께보다 크다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 가동빔은, 상기 지지부가 상기 몸체부의 양단에 각각 적어도 하나 마련된다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 가동빔은, 상기 지지부가 상기 몸체부의 일단에 적어도 하나 마련된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 가동빔은, 상기 지지부가 두개의 몸체부를 서로 연결하도록 적어도 하나 마련되며 피봇 설치된다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 MEMS 스위치는, 기판; 상기 기판상에 형성된 적어도 하나의 신호라인 및 전극; 및 상기 기판의 상부에 소정의 간격을 두고 탄성부재에 의해 지지되도록 설치되며, 상기 전극의 동작에 따라 상기 신호라인과 전기적으로 단락되는 가동빔;을 포함하며, 상기 가동빔의 탄성계수가 상기 탄성부재의 탄성계수보다 크다.
한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 MEMS 스위치의 제조방법은, 기판상에 적어도 하나의 신호라인 및 전극을 형성하는 단계; 및 몸체부의 탄성계수가 지지부의 탄성계수보다 큰 가동빔을 상기 기판의 상부에 소정 간격을 두고 설치하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 상기와 같은 목적 및 다른 특징들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 스위치의 개략적인 구조도, 그리고, 도 2b는 도 2a에 나타낸 가동빔의 사시도이다.
도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 스위치는 기판(10), 신호라인(20), 전극(30) 및 가동빔(40) 등을 구비한다.
구체적으로 설명하면, 기판(10)의 상면에는 전극(30)이 소정 간격을 두고 형성되며, 전극(30)의 사이에 신호라인(20)이 형성된다. 신호라인(20)은 그 일부가 소정의 갭을 두고 단선된 신호접촉부(미도시)가 형성된다. 신호라인(20) 및 전극(30)은 도전재 예컨대, 금(Au)으로 형성된다.
상기 가동빔(40)은 기판(10)의 상부에 소정의 간격을 두고 양단이 각각 지지되는 멤브레인(membrane) 형태로 설치된다. 가동빔(40)은 몸체부(41)와, 몸체부(41)를 지지하는 지지부(42)를 구비한다. 몸체부(41)는 두께가 균일한 플레이트이며, 하면에 접촉부재(41a)가 마련된다. 지지부(42)는 몸체부(41)의 양단에 각각 적어도 하나, 바람직하게는 2개씩 마련된다. 가동빔(40)은 몸체부(41)의 탄성계수가 지지부(42)의 탄성계수보다 훨씬 크다. 예컨대, 몸체부(41)의 두께(T1)를 지지부(42)의 두께(T2)보다 훨씬 크게 형성함으로써 가능하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 스위치는 도 2c에 도시된 바와 같이, 전극(30)에 전압이 인가되면 전극(30)과 가동빔(40) 사이에 정전력이 발생하게 되고, 이 정전력에 의해 가동빔(40)은 기판(10)측으로 끌리게 된다. 가동빔(40)은 몸체부(41)의 접촉부재(41a)가 신호라인(20)의 신호접촉부와 접촉됨으로써 신호 전달이 이루어진다. 이때 가동빔(40)은 몸체부(41)의 탄성계수가 지지부(42)의 탄성계수보다 훨씬 크기 때문에, 가동빔(40)이 하방으로 움직일 때 가동빔(40)의 몸체부(41)는 거의 휘어지지 않게 된다. 따라서, 전극(30)에 전압이 해제되어 가동빔(40)이 복귀될 때 가동빔(40)이 고착(Stiction)되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 MEMS 스위치의 동작시 가동빔(40)과 신호라인(20) 사이에 발생하는 접촉력(Contact force, Fc)은 아래 수학식 2와 같다.
Fc = Fe - Fr
상기 수학식 2에서 나타낸 바와 같이, 접촉력(Contact force, Fc)은 전극(30)과 가동빔(40) 사이에 발생하는 정전력(Electrostatic force, Fe )에서 가동 빔(40)의 고정부위에서 발생하는 반력(Reaction force, Fr)을 차감한다. 수학식 1과 2를 비교하여 보면, 본 발명에 의한 접촉력(Fc)은 종래의 MEMS 스위치에서 범프(7)에 의해 차감되는 반력(Fb)은 포함하지 않는다. 따라서, 본 발명에 의한 MEMS 스위치는 전극(30)에 동일한 크기의 전압을 인가시 종래의 MEMS 스위치에서 가동빔(5)과 신호라인(3) 사이에 발생하는 접촉력보다 훨씬 큰 접촉력을 얻을 수 있다. 즉, 본 발명은 가동빔(40)과 신호라인(20) 사이에서 발생하는 접촉력(Fc)을 증가시킴으로써 안정적인 신호전달이 가능하다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 MEMS 스위치의 개략적인 구조도, 그리고, 도 3b는 도 3a에 나타낸 가동빔의 사시도이다.
도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의한 MEMS 스위치는 기판(10), 신호라인(20), 전극(30) 및 가동빔(40) 등을 구비한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 MEMS 스위치는 가동빔(40)을 기판(10)의 상부에 소정의 간격을 두고 일단이 지지되는 캔틸레버(canrilever) 형태로 구성한 것을 제외하고는 도 2를 참조하여 설명된 일 실시예와 거의 유사하다. 따라서, 일 실시예와 거의 유사한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 병기하며, 상세한 설명은 생략한다.
상기 가동빔(40)은 몸체부(41)와, 몸체부(41)를 지지하는 지지부(42)를 구비한다. 몸체부(41)는 두께가 균일한 플레이트이며, 하면에 접촉부재(41a)가 마련된다. 지지부(42)는 몸체부(41)의 일단에 적어도 하나, 바람직하게는 2개 마련된다. 가동빔(40)은 몸체부(41)의 탄성계수가 지지부(42)의 탄성계수보다 훨씬 크다. 예컨대, 몸체부(41)의 두께(T1)를 지지부(42)의 두께(T2)보다 훨씬 크게 형성함으로써 가능하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 다른 실시예에 의한 MEMS 스위치의 동작은 상기 일 실시예와 유사하다. 즉 가동빔(40)은 몸체부(41)의 탄성계수가 지지부(42)의 탄성계수보다 훨씬 크기 때문에, 가동빔(40)이 하방으로 움직일 때 가동빔(40)의 몸체부(41)는 거의 휘어지지 않게 된다. 따라서, 전극(30)에 전압이 해제되어 가동빔(40)이 복귀될 때 가동빔(40)이 고착되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 접촉력(Fc)은 종래의 MEMS 스위치에서 범프(7)에 의해 차감되는 반력(Fb)은 포함하지 않는다. 따라서, 본 발명에 의한 MEMS 스위치는 전극(30)에 동일한 크기의 전압을 인가시 종래의 MEMS 스위치에서 가동빔(5)과 신호라인(3) 사이에 발생하는 접촉력보다 훨씬 큰 접촉력을 얻을 수 있다. 즉 본 발명은 가동빔(40)과 신호라인(20)의 접촉력(Fc)을 증가시킴으로써 안정적인 신호전달이 가능하다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 MEMS 스위치의 개략적인 구조도, 그리고, 도 4b는 도 4a에 나타낸 가동빔의 사시도이다.
도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 MEMS 스위치는 기판(10), 신호라인(20), 전극(30) 및 가동빔(40) 등을 구비한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의한 MEMS 스위치는 가동빔(40)을 기판(10)의 상부에 소정의 간격을 두고 시소 운동 가능하도록 구성한 것을 제외하고는 도 2를 참조하여 설명된 일 실시예와 거의 유사하다. 따라서, 일 실시예와 거의 유사한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 병기하며, 상세한 설명은 생략한다.
상기 가동빔(40)은 2개의 몸체부(41)(41')와, 몸체부(41)(41')를 서로 연결하여 지지하며 피봇(42a) 설치된 지지부(42)를 구비한다. 몸체부(41)(41')는 두께가 균일한 플레이트이며, 하면에 접촉부재(41a)가 마련된다. 지지부(42)는 2개의 몸체부(41)(41')를 서로 연결하도록 적어도 하나, 바람직하게는 2개 마련된다. 가동빔(40)은 몸체부(41)(41')의 탄성계수가 지지부(42)의 탄성계수보다 훨씬 크다. 예컨대, 몸체부(41)(41')의 두께(T1)를 지지부(42)의 두께(T2)보다 훨씬 크게 형성함으로써 가능하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 MEMS 스위치의 동작은 상기 일 실시예와 유사하다. 즉 가동빔(40)은 몸체부(41)(41')의 탄성계수가 지지부(42)의 탄성계수보다 훨씬 크기 때문에, 가동빔(40)이 하방으로 움직일 때 가동빔(40)의 몸체부(41)(41')는 거의 휘어지지 않게 된다. 따라서, 전극(30)에 전압이 해제되어 가동빔(40)이 복귀될 때 가동빔(40)이 고착되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 접촉력(Fc)은 종래의 MEMS 스위치에서 범프(7)에 의해 차감되는 반력(Fb)은 포함하지 않는다. 따라서, 본 발명에 의한 MEMS 스위치는 전극(30)에 동일한 크기의 전압을 인가시 종래의 MEMS 스위치에서 가동빔(5)과 신호라인(3) 사이에 발생하는 접촉력보다 훨씬 큰 접촉력을 얻을 수 있다. 즉 본 발명은 가동빔(40) 과 신호라인(20)의 접촉력(Fc)을 증가시킴으로써 안정적인 신호전달이 가능하다.
상기 실시예들에서는 가동빔(40)을 탄성계수가 서로 다른 몸체부(41) 및 지지부(42)로 구성하는 것을 예시하였으나, 가동빔이 별도의 탄성부재에 의해 지지되며 가동빔의 탄성계수가 상기 탄성부재의 탄성계수보다 크게 형성된 구성으로 하여도 좋다.
한편, 본 발명에 의한 MEMS 스위치의 제조방법은, 기판(10)상에 적어도 하나의 신호라인(20) 및 전극(30)을 형성한다. 몸체부(41)의 탄성계수가 지지부(42)의 탄성계수보다 큰 가동빔(40)을 기판(10)의 상부에 소정 간격을 두고 설치한다.
이상, 본 발명은 예시적인 방법으로 설명되었다. 여기서 사용된 용어들은 설명을 위한 것이며 한정의 의미로 이해되어서는 안될 것이다. 상기 내용에 따라 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 청구항의 범주 내에서 자유로이 실행될 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 몸체부의 탄성계수가 지지부의 탄성계수보다 훨씬 크게 가동빔을 구성함으로써, 가동빔의 고착을 방지할 수 있다.
또한, 가동빔의 고착을 방지하기 위한 범프를 추가 설치할 필요가 없기 때문에, 작업 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 가동빔과 신호라인의 접촉력을 증가시킴으로써 안정적인 신호전달이 가능하다.

Claims (7)

  1. 기판;
    상기 기판에 형성된 적어도 하나의 신호라인 및 전극; 및
    상기 기판의 상부에 소정의 간격을 두고 설치되며, 상기 전극의 동작에 따라 상기 신호라인과 전기적으로 단락되는 가동빔;을 포함하며,
    상기 가동빔은, 몸체부; 및 상기 몸체부를 지지하는 지지부;를 포함하며, 상기 몸체부의 탄성계수가 상기 지지부의 탄성계수보다 큰 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가동빔은, 상기 몸체부의 두께가 상기 지지부의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가동빔은, 상기 지지부가 상기 몸체부의 양단에 각각 적어도 하나 마련된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가동빔은, 상기 지지부가 상기 몸체부의 일단에 적어도 하나 마련된 것 을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가동빔은, 상기 지지부가 두개의 몸체부를 서로 연결하도록 적어도 하나 마련되며 피봇 설치된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  6. 기판;
    상기 기판상에 형성된 적어도 하나의 신호라인 및 전극; 및
    상기 기판의 상부에 소정의 간격을 두고 탄성부재에 의해 지지되도록 설치되며, 상기 전극의 동작에 따라 상기 신호라인과 전기적으로 단락되는 가동빔;을 포함하며,
    상기 가동빔의 탄성계수가 상기 탄성부재의 탄성계수보다 큰 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  7. 기판상에 적어도 하나의 신호라인 및 전극을 형성하는 단계; 및
    몸체부의 탄성계수가 지지부의 탄성계수보다 큰 가동빔을 상기 기판의 상부에 소정 간격을 두고 설치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
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