KR20120006008A - 가요성 막과 개량된 전기 작동 수단을 구비하는 mems 구조물 - Google Patents
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Abstract
MEMS 구조물은 길이 방향(X)을 한정하는 길이 방향 주축(6a)을 갖는 가요성 막(6), 상기 가요성 막(6) 아래에 있는 적어도 하나의 필라(3,3'), 가요성 막(6)을 하향력 상태로 구부려 내리는데 적합한 전기 하강 작동 수단(7), 및 가요성 막(6)을 상향력 상태로 구부려 올리는데 적합한 전기 상승 작동 수단(8)을 포함한다. 전기 하강 작동 수단(7) 또는 전기 상승 작동 수단(8)은 막(6)의 일 부분 아래로 연장하고 길이 방향(X)에서 상기 적어도 하나의 필라(3)의 양면에서 동시에 막(6)에 인장력을 가하는데 적합한 작동 영역(7c 또는 8c)을 포함한다.
Description
본 발명은, 마이크로 전자기계 시스템(Micro Electromechanical System: MEMS)의 기술 분야에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 가요성 막(flexible membrane)과 상기 막을 구부리기 위한 개량된 전기 작동 수단을 구비하는 신규한 MEMS 구조물(MEMS structure)에 관한 것이다. 상기 신규한 MEMS 구조물은 여러 용도에 사용될 수 있고, 특히, 예를 들어, MEMS 스위치(저항성 접촉 스위치 또는 용량성 접촉 스위치), 보다 구체적으로 무선 주파수(RF) 스위치를 제조하는데 사용되는 것이 유리할 수 있고, 또는 예를 들어 마이크로 광전 기계 시스템(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems: MOEMS)으로도 불리는 광학 MEMS 구조물을 제조하는데 사용되는 것이 유리할 수 있다.
MEMS 구조물은 현재 RF 스위치(저항성 접촉 스위치, 또는 용량성 접촉 스위치) 또는 광학 스위치를 제조하는데 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 MEMS 구조물은 특히 통신 시스템에서, 예를 들어, 위상 배열 안테나, 이상기(phase shifter), 스위칭 가능 튜닝 컴포넌트 등을 제조하는데 사용되고 있다.
MEMS 구조물은 대체로 적어도 두 위치 사이에서 이동 가능한 마이크로 기계식 스위칭 수단, 및 기계식 스위칭 수단을 적어도 두 위치 사이에서 이동시키기 위해 기계식 스위칭 수단에 힘을 발생시키도록 구성되어 있는 전기 작동 수단을 포함한다.
다른 작동 기술은 MEMS 구조물의 전기 작동 수단을 구체화하는데 사용될 수 있다. 이러한 전기 작동 수단은 정전기식, 전자기식, 압전식, 또는 전열식 작동 수단이 될 수 있다. 그러나 정전기 작동은 더 짧은 스위칭 시간과 거의 제로의 전력 소비 및 전통적인 CMOS 프로세스 흐름과의 완전한 기술 호완성에 도달될 수 있기 때문에 현재까지 사용되는 보편적 기술이다. 더구나, RF MEMS 스위치 디자인에서, 다른 작동 기술이 조합될 수 있다(예를 들어, 정전기 전압 유지는 열적 작동과 결합될 수 있다).
MEMS 구조물의 마이크로 기계식 스위칭 수단은, 예를 들어, 가동 강성보, 또는 가요성 막과 같이, 가동 강성 요소를 포함할 수 있다.
이동 가능한 강성 스위칭 요소를 포함하는 MEMS 구조물은, 예를 들어, 미국특허 출원 2005/0001701호 또는 유럽 특허 출원 EP-A-1 489 639호에 기재되어 있다.
그러나, 가요성 막을 사용하면 가동 강성 스위칭 요소를 사용하는 것에 비하여 유리하게 더 짧은 스위칭 시간을 달성할 수 있다.
가요성 막은 브릿지를 형성하기 위해 양 단부에서 기판에 고정될 수 있다. 이러한 고정-고정(claimped-clamped) 가요성 막에 의하여 구성된 스위칭 요소를 포함하는 MEMS 구조물은, 다음 공보, 즉 US 특허 출원 2004/0050674호, US 특허 출원 2004/0091203호, 유럽 특허 출원 EP-A-1 343 189호, PCT 출원 WO-A-2004/076341호에 기재되어 있다.
또한, 가요성 막은 캔틸레버를 형성하기 위해 일 단부에서만 기판에 고정될 수 있다. 이러한 캔틸레버 가요성 막에 의하여 구성된 스위칭 요소를 포함하는 MEMS 구조물은, 예를 들어, US 특허 제 5,638,946호에 개시되어 있다.
또한, 가요성 막은, 예를 들어, 유럽 특허 출원 EP-A-1 705 676호에 개시된 바와 같이 기판에 자유롭게(freely) 지지될 수 있다. 이러한 자유 가요성 막은 고정-고정 가요성 막 또는 캔틸레버 막들에 비하여 더 작은 기계적 강도를 받는다는 유리한 점이 있어서, MEMS 구조물의 수명이 유리하게 증가된다.
EP 특허 출원 EP-A-1 705 676호의 도 1 및 도 2의 실시예에서, 가요성 막은 2개의 필라에서 자유롭게 지지되고 두 상태, 즉 상향력 상태(도 2에 도시)와 휴지 상태(도 1에 도시)를 갖도록 구성되어 있다. 막을 상향력 상태로 구부리기 위해서, MEMS 구조물은 막의 기능부를 상승시키기 위해 가요성 막을 구부리도록 구성되는 전기 상승 작동 수단을 포함한다. 이러한 특별한 실시예에서 막의 기능부는 2개의 필라 사이 내에 위치하는 막의 부분이다. 이러한 전기 상승 작동 수단은 특히 2개의 외부 전극으로 구성되며, 상기 2개의 외부 전극은 막의 아래에서 막의 각 단부와 가장 근접한 필라 사이에 위치하고, 그리고 작동 전압이 전극에 인가될 때 막의 양 단부에 정전기 인장력(pulling forces)을 가하도록 구성되어 있다. 이러한 인장력은 필라 상의 지레 효과와 결합하여 막을 상향력 상태로 위로 구부릴 수 있다. 전극 상에서의 작동 전압이 영일 때, 막은 막의 강성 때문에 도 1의 휴지 위치로 복귀한다.
막을 위해 적어도 2개의 가압 상태를 갖는 MEMS 구조물을 가질 필요가 있는데, 즉 가요성 막이 상향력(up forced) 상태와 하향력(down forced) 상태를 가질 수 있고, 필요하면 상향력 상태와 하향력 상태 사이에 휴지 상태를 가질 수 있는 MEMS 구조물을 가질 필요가 있다.
이러한 MEMS 구조물은, 예를 들어, 유럽 특허 출원의 도 1 및 도 2의 실시예에서 막의 기능부를 막의 수평 휴지 위치보다 아래로 낮추기 위해 가요성 막을 구부려 내릴 수 있도록 구성되어 있는 전기 하강 작동 수단을 첨가함으로써 달성될 수 있다. 이러한 전기 하강 작동 수단은 예를 들어 막을 지탱하는 2개의 필라 사이에서 막 아래에 위치한 추가의 내부 전극에 의하여 구성될 수 있다. 상기 내부 전극은 작동 전압이 전극에 인가될 때 막의 기능부에 정전기 인장력을 가하도록 구성되어 있다.
그러나, 상기와 같이 2개의 가압 상태를 갖는 MEMS 구조물이 상향력 상태와 하향력 상태 사이에서 고장없이 막을 이동시키고 필요하면 고속도로 이동시키기 위해 다음을 필요로 한다.
- 막을 그 휴지 위치를 향해 복귀시키기에 충분히 큰 막의 기계적 복귀력을 달성하기 위해서 강성의(stiff) 막과 큰 막 변형을 사용할 것.
- 상향력 상태의 막과 하강 작동 전극 사이 또는 하향력 상태의 막과 상승 작동 전극 사이에 있는 큰 갭 때문에 높은 작동 전압을 사용할 것; 더구나 막의 강성이 클수록 작동 전압이 더 커야 한다.
이러한 작동 전압의 증가는 특히 DC/DC 컨버터의 추가로 인하여 에너지 소비가 커서 손해이고 특히 소형화의 한계 및 제조 원가 면에서 MEMS 구조물을 설계하기 어렵게 한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 적어도 상향력 상태와 하향력 상태 사이에서 작동될 수 있는 가요성 막을 가지고, 그리고 MEMS 구조물의 효율에 대한 편견 없이 작동 전압 및/또는 막의 강성을 낮추기 위해 개량되어 있는 신규한 MEMS 구조물을 제안하는 데 있다. 본 발명의 범위 내에서, 이러한 MEMS 구조물은 EP-A-1 705 676호에 기재된 타입의 고정 없이 자유롭게 지지된 가요성 막 또는 가요성 고정-고정 막 또는 가요성 캔틸레버 막을 포함할 수 있다.
상기 목적은 청구항 1에 정의된 신규한 MEMS 구조물에 의하여 달성된다. 이러한 신규한 MEMS 구조물은:
- 길이 방향(X)을 한정하는 길이 방향 주축을 갖는 가요성 막,
- 상기 가요성 막 아래에 있는 적어도 하나의 필라,
- 상기 가요성 막을 하향력 상태로 구부려 내리는데 적합한 전기 하강 작동 수단,
- 상기 가요성 막을 상향력 상태로 구부려 올리는데 적합한 전기 상승 작동 수단을 포함하고,
- 상기 전기 하강 작동 수단 또는 상기 전기 상승 작동 수단은 상기 막의 부분 아래로 연장하는 작동 영역을 포함하고, 상기 작동 영역은 길이 방향(X)에서 상기 적어도 하나의 필라의 양면에서 동시에 상기 막(6)에 인장력을 가하도록 구성되어 있디.
길이 방향에서 필라의 양면상에서의 전기 하강 작동 수단 또는 전기 상승 작동 수단의 연장은 하나의 가압 상태에서 다른 가압 상태로 향하는 막의 작동을 향상시킨다.
본 발명의 범위 내에서, 가요성 막은 상기 적어도 하나의 필라에 의하여 휴지 상태에서 지지될 수 있고, 또는 상기 적어도 하나의 필라로부터 이격될 수 있다(즉, 상기 적어도 하나의 필라에 의하여 휴지 상태에서 지지되지 않을 수 있다).
본 발명은, 가요성 막(flexible membrane)과 상기 막을 구부리기 위한 개량된 전기 작동 수단을 구비하는 신규한 MEMS 구조물(MEMS structure)을 제공하는 효과를 갖는다.
본 발명의 다른 특징과 장점은 본 발명의 여러 실시예에 대한 아래의 상세한 설명을 읽으면 명백히 나타날 것이다. 이러한 상세한 설명은 완전하지 않고 제한하지 않는 실례를 경유하여 첨부 도면을 참고하여 만들어져 있다.
도 1은, 본 발명의 용량성 RF MEMS 스위치의 단면(도 4의 평면 I-I에서)으로서, 가요성 막이 휴지 위치에 있는 도면.
도 2는, 도 1의 스위치의 단면으로서, 가요성 막이 하향력 상태에 있는 도면.
도 3은, 도 1의 스위치의 단면으로서, 가요성 막이 상향력 상태에 있는 도면.
도 4a, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 용량성 RF MEMS 스위치의 다른 실례의 평면도로서, 막과 작동 영역을 위한 적절한 기하학적 구조를 도시하는 도면.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 MEMS 구조물의 다른 실례의 평면도들로서, 막과 작동 영역을 위한 다른 적절한 기하학적 구조를 도시하는 도면.
도 13은 본 발명의 개량된 MEMS 구조물의 평면 및 2개의 횡단면도.
도 1은, 본 발명의 용량성 RF MEMS 스위치의 단면(도 4의 평면 I-I에서)으로서, 가요성 막이 휴지 위치에 있는 도면.
도 2는, 도 1의 스위치의 단면으로서, 가요성 막이 하향력 상태에 있는 도면.
도 3은, 도 1의 스위치의 단면으로서, 가요성 막이 상향력 상태에 있는 도면.
도 4a, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 용량성 RF MEMS 스위치의 다른 실례의 평면도로서, 막과 작동 영역을 위한 적절한 기하학적 구조를 도시하는 도면.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 MEMS 구조물의 다른 실례의 평면도들로서, 막과 작동 영역을 위한 다른 적절한 기하학적 구조를 도시하는 도면.
도 13은 본 발명의 개량된 MEMS 구조물의 평면 및 2개의 횡단면도.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 양호한 실시예에 따라 제조된 용량성 RF MEMS 스위치를 도시한다. 그러나 명료성을 위해, 본 발명의 범위는 용량성 RF MEMS 스위치로 제한하지 않고, 상향력 상태와 하량력 상태 사이로 작동될 수 있는 가요성 막을 포함하는 어떠한 MEMS 구조물도 포함한다는 점을 강조하고자 한다. 본 발명은, 예를 들어, 저항성 접촉 RF MEMS 스위치 또는 마이크로 광전 기계 시스템(MOEMS)을 제조하는 데에도 실시될 수 있다.
도 1 내지 도 4의 용량성 RF MEMS 스위치는 이제 세부적으로 설명될 것이며 종래 표면 마이크로 기계가공 기술을 사용함으로써 제조될 수 있는 신규한 구조물을 갖는다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, RF MEMS 스위치는 스위치의 기판을 형성하는 웨이퍼(1)(예를 들어 실리콘으로 제조됨)를 포함한다. 얇은 유전층(2)을 패시베이션 층으로서, 상기 웨이퍼(1)의 표면상에 증착된다. 유전층(2)상에서, 스위치는 아래의 구성요소를 포함한다:
- 길이 방향(X)에서 서로 이격된 2개의 측면 필라(lateral pillar)(3, 3')로서, 각각의 필라(3, 3')는 도 1의 횡단 방향{도 4 참조- 길이 방향(X)에 수직인 횡단 방향(Y)}으로 연장한다.
- 횡단 방향(Y)으로 연장하는 하나의 중앙 필라(4), 상기 중앙 필라(4)는 2개의 측면 필라(3, 3') 사이에 위치하고, 바람직하게는 필라(3, 3') 사이의 중앙에 위치한다.
측면 필라(3, 3')와 대조적으로, 중앙 필라(4)의 상부 표면은 용량성 스위치 구성을 위한 얇은 유전층(5)으로 덮인다.
2개의 측면 필라(3, 3') 및 중앙 필라(4)는 동일평면 도파관(CPW)을 형성하고, 2개의 측면 필라(3, 3')는 접지선에 해당한다. 중앙 필라(4)는 단일평면 도파관(CPW) 내에서 RF 전기신호의 전송을 위한 신호 라인을 형성한다. 다른 변형예에서, RF 신호 라인은 또한 마이크로스트립 도파관으로 실시될 수 있다.
측면 필라(3, 3')과 중앙 필라(4)는, 예를 들어, 금 또는 금 합금과 같은 금속으로 제조된다. 층(2, 5)을 위한 유전재료는 매우 낮은 전기 전도도를 갖는 어떠한 재료도 될 수 있으며, 특히 폴리머가 될 수 있다. 예를 들어 유전층(5)은 질화규소, Ta2O5, AlN, Al2O3로 제조될 수 있다.
RF MEMS 스위치는 추가로 길이 방향 축(6a)(도 4)의 얇은 가요성 막(6)으로 구성되는 스위치 요소를 포함한다. 상기 가요성 막(6)은 필라(3, 3', 4) 위에 위치한다. 막(6)의 길이 방향 축(6a)은 상술한 길이 방향(X)에 평행하고 상술한 횡단 방향(Y)에 수직이다. 막(6)의 양 단부(6b, 6c)는 기판(1)에 고정되지 않고, 따라서 막은 필라(3, 3')에 의해 휴지 상태(도 1)에서 자유롭게 지지된다. 도 1의 변형예에서, 가요성 막(6)은 중앙 필라(4)로부터 이격되어 있고 따라서 상기 중앙 필라(4)에 의하여 휴지 상태에서 지지되지 않는다.
다른 변형예에서, 그러나 가요성 스위치 막(6)은 중앙 필라(4)에 의하여 휴지 상태에서 지지될 수 있다.
이러한 가요성 막(6)은, 예를 들어, 알루미늄, 금, 또는 어떠한 전도성 합금과 같은 금속으로 제조된다.
도 4는 막(6)을 위한 기하학적 구조의 실례를 도시한다. 막(6)을 위한 다른 적절한 기하학적 구조들은 도 5 내지 도 7에 도시되어 있고 이하에 상세히 설명될 것이다.
도 4의 특별한 실시예를 참조하면, 막(6)은 필라(3, 3')에 의해 지지되며 실질적으로 2개의 측면 필라(3, 3') 사이에서 연장하는 주요 중앙 가요성부(60)를 포함한다. 상기 중앙 가요성부(60)는 여기서는 막(6)의 "기능부"로서 언급되어 있고, 그리고 필라(3, 3') 상에서의 지레 효과에 의하여 길이측으로{즉, 길이 방향(X)으로} 구부러져 올라가거나 내려갈 수 있다. 이러한 기능부(60)는 폭(ℓ1) 및 길이(L1)를 갖는 직사각형을 형성하고, 더 큰 폭(ℓ2)을 갖는 2개의 직사각형 부분(60a, 60b)을 포함한다. 직사각형 부분(60a)은 측면 필라(3)와 중앙 필라(4) 사이에 위치하고, 직사각형 부분(60b)은 측면 필라(3')와 중앙 필라(4) 사이에 위치한다.
막(6)의 기능부(60)는 실질적인 U 형상을 갖는 2개의 연장부(61)에 의하여 양 단부에서 연장된다. 각각의 연장부(61)는 본 명세서에서 막(6)의 "비기능부(non-functional part)"로 불린다. 상기 "비기능부"는 일반적으로 고정-고정 또는 캔틸레버 MEMS 구조물에서 나타나지 않는 작동 영역을 구성한다.
막(6)의 각 비기능부(61)는 U 형상의 베이스를 형성하는 중앙 비기능부(61a)와 2개의 측면 비기능부(lateral non-functional part)(61b)를 포함한다. 측면 비기능부(61b) 각각은 길이(L3){길이 방향(X)에서 측정된 치수}와, 폭(l3){횡단 방향(Y)에서 측정된 치수}의 직사각형을 형성한다. U 형상 비기능부(61)의 2개의 측면 비기능부(61b)는 횡단 방향(Y)에서 막(6)의 기능부(60)의 각 측면에 위치한다. 명료성을 위해, 막(6)의 4개의 측면 비기능부(61b)는 도 4에서 직교평행선의 음영으로 도시되어 있다.
막(6)이 도 1의 휴지 위치에 있을 때, 각각의 중앙 비기능부(61a)는 길이 방향(X)에서 필라(3, 3') 외부에 위치하고; 막(6)의 각각의 측면 비기능부(61b)는 횡단 방향(Y)에서 대응하는 측면 필라(3 또는 3') 외부에 위치하고 길이 방향(X)에서 대응하는 측면 필라(3 또는 3')의 양면에서 연장된다. 더구나, 막(6)의 주요 가요성 기능부(60)와 각각의 측면 비기능부(61b) 사이에 틈(62)이 제공되어 있어서, 막(6)의 각각의 측면 비기능부(61b)가 휘어질 수 있고 막(60)의 주요 가요성 기능부(60)와는 독립적으로 길이측으로{즉 길이 방향(X)으로} 구부러질 수 있다.
유럽 특허 출원 제 1 705 676호에서 이미 설명되어 있듯이, MEMS 스위치는 또한 바람직하게 각각의 측면 필라(3, 3') 위에 위치한 스토퍼(3a)(EP 제 1 705 676호에서는 "브릿지부"로서 불림)를 포함하고, 상기 스토퍼(3a)는 막(6)의 중앙부(60)가 자유롭게 위치한 통로를 형성한다. 상기 스토퍼는 도 1에만 도시되고, 명료성을 위해 도 2 및 도 3에는 도시되지 않는다. 이러한 스토퍼는 측면 필라(3, 3') 상에서 막(6)을 유지하는데 사용되지만, 스위치의 정상 사용 중에 막(6)이 측면 필라(3)에 대해 자유롭게 이동하는 것을 방해하지 않는다. 이러한 스토퍼는 어떤 다른 동등한 수단으로 대체될 수 있다.
RF MEMS 스위치는 추가로 막(6)을 도 3의 하향력 상태로 구부려 내리는데 사용되는 정전기 하강 작동 수단(7)과, 막(6)을 도 2의 상향력 상태로 구부려 올리는데 사용되는 정전기 상승 작동 수단(8)을 포함한다.
정전기 하강 작동 수단(7)은 막(6)의 기능부(60) 아래에 위치한 2개의 내부 전극(7a, 7b)으로 형성된다. 내부 전극(7a)은 측면 필라(3)와 중앙 필라(4) 사이에서 연장된다. 내부 전극(7b)은 중앙 필라(4)와 측면 필라(3') 사이에서 연장된다. 특히, 도 4를 참고하면, 2개의 내부 전극(7a, 7b)은 2개의 내부 하강 작동 영역(7c)(점선으로 표시됨)을 제한한다. 막(6)이 휴지 상태(도 1 및 도 4)에 있을 때, 각각의 내부 하강 작동 영역(7c)은 막(6)의 기능부(60)의 직사각형 부분(60a, 60b) 아래에 위치한다.
정전기 상승 작동 수단(8)은 막(6)의 비기능부(61)와 실질적으로 동일한 형상을 갖는 2개의 외부 전극(8a, 8b)으로 형성된다. 도 4를 참조하면, 2개의 외부 전극(8a, 8b)은 2개의 상승 작동 영역(8c)(점선으로 표시됨)을 제한한다. 막(6)이 휴지 상태(도 1 및 도 4)에 있을 때, 각각의 상승 작동 영역(8c)은 막(6)의 비기능부(61) 아래에 위치한다. 특히, 각각의 상승 작동 영역(8c)은 막의 측면 비기능부(61b) 아래에 배치되며 따라서 길이 방향(X)에서 측면 필라(3 또는 3')의 양면에서 연장하는 측면 부분을 포함한다.
스위치가 RF 용량성 스위치일 때, 각 전극(7a, 7b, 8a, 8b)의 상부 표면은 막(6)과 전극 사이의 어떠한 저항성 접촉을 회피하기 위해 유전층(9)(도 1)에 의해 덮인다. 유전층(9)은 질화규소, Ta2O5, AlN, Al2O3로 제조될 수 있다. 이러한 유전층(9)은 막(6)과 전극 사이의 저항성 접촉을 회피할 수 있는 어떤 다른 동등한 수단으로 대체될 수 있다. 다른 변형예에서, 유전층(9)은 억제될 수 있으며; 이러한 변형예에서 MEMS 스위치는 막이 작동 전극(7a, 7b, 8a, 8b)과 접촉하게 되는 것을 방지하기 위한 받침대(abutment) 수단을 포함한다.
휴지 상태
작동 전압이 전극(7a, 7b, 8a, 8b)에 인가되지 않을 때, 스위치의 막(6)은 도 1의 휴지 위치(휴지 상태)에 있게 된다. 이러한 휴지 상태에서, 막(6)은 실질적으로 평평하고 필라(3, 3')에 의해 지지되며 또한 막(6)과 기판(1) 사이에 미리 결정된 갭(g)을 갖는다. 다른 변형예에서, 막은 휴지 상태에서 구부러질 수 있다.
하향력
상태
작동 전압이 내부 전극(7a, 7b)에 인가될 때, 정전기 인장력이 작동 영역(7c) 내에서 발생하여 막(6)의 기능부(60)를 아래로 잡아당긴다. 이러한 인장력은 막(6)을 도 2의 하향력 상태로 길이 방향에서 구부려 내린다. 이러한 하향력 상태에서, 필라(3, 3')의 지레 효과 때문에, 기판(1)과 막(6)의 각 단부(6b, 6c) 사이의 갭(Gint)은 크고, 특히 휴지 상태에서 갭(g)보다 크다.
하향력
상태에서
상향력
상태로 -
지핑
효과
막(6)을 도 2의 하향력 상태에서 도 3의 상향력 상태로 이동시키기 위해, 전극(7a, 7b)에는 작동 전압이 인가되지 않고 동시에 전극(8a, 8b)에는 작동 전압이 인가된다. 정전기력이 상승 작동 영역(8c) 내에서 발생하여 막(6)의 비기능부(61)를 아래로 끌어당긴다. 특히, 정전기 하향 인장력은 길이 방향(X)에서 각각의 측면 필라(3 또는 3')의 양면에서 동시에 막(6)의 각 비기능부(61)에 가해진다.
다른 변형예에서, 막(6)을 하항력 상태에서 상향력 상태로 이동시키기 위해, 제 1 단계로서 전극(7a, 7b)에서 작동 전압을 유지하면서 작동 전압이 전극(8a, 8b)에 인가될 수 있다. 다음에 제 2 단계에서, 미리 결정된 기간(예로서 스위치의 스위칭 시간에 해당하는 기간) 이후에, 전극(7a, 7b)에는 작동 전압이 인가되지 않는다.
도 2를 참조하면, 하항력 상태에서, 측면 필라(3, 3') 사이의 영역에서 기판(1)과 막(6) 사이에 측정된 갭 G'은 기판(1)과 막(6)의 각 단부(6b, 6c) 사이에서 측정된 갭(Gint)보다 작다. 따라서 하향력 상태에서, 막(6)의 각각의 측면 비기능부(61b)의 내부 단부(61d)(도 4)는 상기 측면 비기능부(61b)의 대향한 외부 단부(61e)보다 상승 작동 영역(8c)로 더 가까이 간다. 하항력 상태에서부터 막(6)의 스위칭 운동을 시작하면, 미리 결정된 작동 전압에 대해, 작동 영역(8c) 내에서 발생되는 정전기 인장력은 각각의 측면 비기능부(61b)의 내부 단부(61d)(도 4)에서 더 크고 상기 측면 비기능부(61b)의 대향한 외부 단부(61e)에서 더 작다. 따라서 막의 비기능부(61)는 아래로 구부러져서 측면 비기능부(61b)의 내부 단부(61d)에서부터 측면 비기능부(61b)의 외부 단부(61e)와 중앙 비기능부(61a)를 향하여 점진적으로 작동 영역(8c)에 고착된다. 이러한 비기능부(61b)의 점진적 고착 현상은 여기서 "지핑 효과(zipping effect)"로 불린다. 이러한 지핑 효과와 측면 필라(3, 3')에서의 지레 효과 때문에, 따라서 막(6)은 도 3의 상향력 상태로 길이 방향에서 위로 구부러진다.
이미 강조한 바와 같이, 하항력 상태에서의 갭(Gint)은 크고, 특히 휴지 위치에서의 갭(g)보다 더 크다. 이러한 큰 갭(Gint)은 하향력 상태에서 상향력 상태로 전이되는데 문제를 일으킬 수 있다. 스위치의 막(6)이 단지 중앙 비기능부(61a)만을 포함하고 측면 비기능부(61b)를 포함하지 않는다면, 그리고 전극(8a, 8b)이 이러한 측면 비기능부(61b) 아래에서 어떠한 연장부를 포함하지 않는다면, 정전기 인장력은 전극(8a, 8b)에서 먼 {갭(Gint)} 막의 중앙 비기능부(61a)에만 가해질 것이다. 상술한 지핑 효과가 달성될 수 없고, {측면 비기능부(61b)가 없는} 이러한 위상기하학은 불리하게 더 높은 작동 전압을 요구할 것이다.
대조적으로, 본 발명에 의하면, 막(6)의 각각의 측면 비기능부(61b)의 내부 단부(61d)는 하향력 상태에서 상승 작동 영역(8c)에 가까이 있기 때문에, 상술한 지핑 효과가 낮은 작동 전압에서 그리고 특히 막이 측면 비기능부(61b)를 포함하지 않는 경우에 필요로 하였던 작동 전압보다 유리하게 훨씬 더 낮은 작동 전압에 의해 시작되어 달성될 수 있다는 장점이 있다. 따라서 하향력 상태에서부터 상향력 상태로의 막(6)의 스위칭은 유리하게 더 낮은 작동 전압에 의해 달성된다.
더구나, 막(6)이 하향력 상태에서 MEMS 구조물의 기판에 고착되는 위험이 크가. 소위 고착 현상은 잘 알려져 있으며 아래의 원인 때문이 될 수 있다: 즉,
- 유전체 충전(dielectric charging): 하향력 상태를 위한 전기 하강 작동 수단이 차단되어 있을지라도, 막(6)은 하향력 상태에서 막을 유지하는 정전기력을 받을 수 있다.
- 모세관: 이 현상은 하향력 상태에서 막(6)의 가동부분과 기판(1) 사이의 갭이 매우 작고 습도 레벨이 클 때(대표적으로 > 30%RH) 나타난다.
- 표면부착력(반 데르 발스의 힘): 이러한 현상은 저항성 접촉 MEMS 스위치들에서 금속/금속 접촉의 경우에 나타난다.
- 저항성 접촉 MEMS 스위치들에서 금속/금속 접촉의 경우에, 막의 부분 용해가 발생할 수 있고, 이에 의해 금속성 접촉부들상에 막의 얇은 용접이 일어난다.
스위치의 막(6)이 중앙 비기능부(61a)만을 포함하며, 측면 비기능부(61b)를 포함하지 않는 유형에서, 전극(8a, 8b)이 이러한 측면 비기능부(61b) 아래에 어떤 연장부도 포함하지 않으면, 막(6)의 고착 현상이 일어날 때 스위치의 파손 위험이 클 것이다.
대조적으로, 본 발명에서는, 작동 전압이 전극(8a, 8b)에 인가될 때, 상술한 갭 G'이 낮고 또 상술한 지핑 효과 때문에, 정전기력이 막의 기계적 복귀력에 추가되고, 스위치의 전체 분리력(pull-off force)이 강화된다. 따라서 스위치의 효율에 대한 편견이 없이 낮은 작동 전압이 유리하게 사용될 수 있다. 본 발명의 스위치에 의하면, 스위치의 전체 분리력이 강화되기 때문에, 고착 현상이 더 용이하게 해결될 수 있다.
본 발명의 MEMS 구조물의 큰 분리력의 다른 장점은 특히 RF MEMS 구조물에서 강렬한 스위칭 능력, 즉 전위가 RF 라인들에 적용될 때 막의 스위칭 능력이다.
측면 비기능부(61b)의 효율을 최대로 하기 위해서, MEMS 구조물은 도 13에 도시된 바와 같이 측면 비기능부(61b)와 기판(1) 사이의 갭을 지역적으로 감소시킴에 의하여 조정될 수 있다. 도 13을 참조하면, 측면 비기능부(61b)와 기판(1) 사이의 갭(g2)은 유리하게도 막(6)의 기능부(60)와 기판 사이의 갭(g1)보다 더 작다. 이러한 갭의 감소는 두께에서의 부분 희생 에칭의 단계에 의하여 달성될 수 있다. 선택사양으로서, 중앙 비기능부(61a)와 기판(1) 사이의 갭도 역시 막(6)의 기능부(60)와 기판 사이의 갭(g1)보다 더 작은 것이 유리하다.
특히, 측면 비기능부(61b)의 효율을 증가시키기 위해서, MEMS 구조물은 측면 비기능부(61b)의 강성을 감소시킴에 의하여 조정될 수 있다. 이것은 측면 비기능부(61b)의 두께를 감소시킴에 의하여 달성될 수 있는데, 즉 비기능부(61b)의 두께가 막(6)의 기능부(60)의 두께보다 더 작은 MEMS 구조물을 제조함에 의하여 달성될 수 있다. 이러한 두께 감소는 측면 비기능부(61b)의 강성을 감소시키기 때문에 MEMS 구조물의 작동을 개량하며, 이에 의해 지핑 효과 동안에 작동의 전파가 강화된다.
이러한 두 가지 개선사항(갭 감소와 두께 감소)은 측면 비기능부(61b)(들)를 포함하는 본 발명의 어떤 MEMS 구조물을 개량하는데 실시될 수 있고, 특히 도 5 내지 도 12의 실시예를 개량하는데에도 실시될 수 있다.
도 4a, 도 5 내지 도 7은 막(6)을 위한 기하학적 구조의 다른 3가지 실례를 도시한다.
도 4a는 우측 측면 비기능부(61b)와 좌측 측면 비기능부(61b)가 함께 결합되어 있는 다른 변형예를 도시한다.
도 5의 실시예에서, 막(6)은 2개의 측면 필라(3) 사이에서 연장하는 중앙 기능부(60)를 포함한다. 상기 중앙 기능부(60)는 길이(L1) 및 폭(ℓ1)의 직사각형을 형성한다. 막(6)의 중앙 기능부(60)는 폭(ℓ2)(ℓ2 ≥ ℓ1)의 직사각형을 갖는 비기능부(61a)에 의하여 각 단부(6b, 6c)에서 연장된다.
막(6)의 중앙 기능부(60)는 또한 L 형상을 갖고 길이(L3) 및 폭(l3)의 4개의 측면 비기능부(61b)를 형성하는 4개의 연장부(61)에 의하여 측면으로 연장된다. 이러한 2개의 측면 비기능부(61b)는 횡단 방향(Y)에서 막(6)의 기능부(60)의 각 면에 위치한다. 각각의 측면 비기능부(61b)는 횡단 방향(Y)에서 필라(3 또는 3')의 외측에 위치하고 길이 방향(X)에서 필라(3 또는 3')의 양면에서 연장된다.
2개의 내부 전극(7a, 7b)은 실질적으로 U 형상을 갖는 2개의 내부 하강 작동 영역(7c)(점선으로 도시됨)을 제한한다. 막(6)이 휴지 상태(도 1 및 도 4)에 있을 때, 각각의 내부 하강 작동 영역(7c)의 부분들은 막의 측면 비기능부(61b) 아래로 연장하고 따라서 길이 방향(X)에서 측면 필라(3 또는 3')의 양면에서 연장된다.
2개의 외부 전극(8a, 8b)은 2개의 상승 작동 영역(8c)(점선으로 도시됨)을 제한한다. 막(6)이 휴지 상태(도 1 및 도 4)에 있을 때, 각각의 상승 작동 영역(8c)은 막(6)의 중앙 비기능부(61a) 아래에 위치한다.
막(6)이 상향력 상태에 있을 때, 막(6)의 굽힘(도 2) 때문에, 막(6)의 각각의 측면 비기능부(61b)의 단부(61d)(도 5)는 상기 측면 비기능부(61b)의 대향 단부(61e)보다 하강 작동 영역(7c)에 더 가까이 있다.
도 5의 막을 상향력 상태에서 하향력 상태로 스위칭하기 위해, 전극(8a, 8b)에는 작동 전압이 인가되지 않고 동시에 전극(7a, 7b)에는 작동 전압이 인가된다. 정전기력은 하강 작동 영역(7c) 내에서 발생하여 막(6)의 연장부(61)를 아래로 당긴다. 특히, 정전기 하향 인장력은 길이 방향(X)에서 각각의 필라(3 또는 3')의 양면에서 동시에 막(6)의 각각의 측면 비기능부(61b)에 가해지고, 지핑 효과(도 5의 막에 대해 이미 설명한 것)가 막(6)의 측면 비기능부(61b)에서 유리하게 달성된다. 이러한 지핑 효과 때문에, 상향력 상태에서 하향력 상태로 막을 스위칭하는데 필요한 작동 전압이 유리하게 낮아진다.
다른 변형예에서, 막(6)을 상향력 상태에서 하향력 상태로 이동시키기 위해, 제 1 단계에서 전극(8a, 8b)에서 작동 전압을 유지하면서 작동 전압이 전극(7a, 7b)에 인가될 수 있다. 다음에 제 2 단계에서, 미리 결정된 기간(예로서 스위치의 스위칭 시간에 해당하는 기간) 이후에, 전극(8a, 8b)에는 작동 전압이 인가되지 않는다.
도 5의 변형예에 대해, 갭 감소와 관련된 상술한 개선사항은 기판(1)과 각 측면 비기능부(61b) 사이의 휴지시의 갭(g2)을 막(6)의 각 중앙 비기능부(61a)와 기판(1) 사이의 휴지시의 갭(g1)보다 작게 함으로써 달성된다.
도 5의 변형예에 대해, 두께 감소와 관련된 상술한 개선사항은 각각의 측면 비기능부(61b)의 두께를 막의 중앙 비기능부(61a)의 두께보다 작게 함으로써 달성된다.
도 6은 막(6)이 4개의 필라(3, 3')상에서 지지되고 있는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 상승 작동 영역(8c)(점선으로 도시됨)은 길이 방향(X)에서 지지 필라(3 또는 3')의 양면(길이 L3)에서 막(6) 아래로 연장된다. 막(6)이 하향력 상태에서 상향력 상태로 스위칭 운동하는 동안에, 지핑 효과가 상승 작동 영역(8c)보다 위에 배치되어 있는 막(6)의 길이(L3)의 두 영역에서 달성된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 도시하며, 여기서 상승 작동 영역(8c)(점선으로 도시됨)이 길이 방향(X)에서 지지 필라(3 또는 3')의 양면(길이 L3)에서 막 아래로 연장하고, 하강 작동 영역(7c)(점선으로 도시됨)이 길이 방향(X)에서 지지 필라(3 또는 3')의 양면(길이 L'3)에서 막 아래로 연장된다. 막(6)은 도 4의 실시예와 유사한 4개의 측면 비기능부(61b)를 포함한다. 이 실시예에서, 막(6)이 하향력 상태에서 상향력 상태로 스위칭 운동하는 동안에, 지핑 효과가 도 4의 실시예에 대해 이미 설명한 바와 같이 상기 측면 비기능부(61b)에서 달성된다. 막(6)이 상향력 상태에서 하향력 상태로 스위칭 운동하는 동안에, 지핑 효과가 하강 작동 영역(7c)보다 위에 배치되어 있는 막(6)의 길이(L'3)의 두 영역에서 달성된다.
본 발명은 필라들에서 자유롭게 지지되는 막(6)을 갖는 MEMS 구조물들로 제한하지 않으며, 또한 전기 작동 수단 및 하나 또는 여러 개의 필라들에서의 지레효과를 사용함으로써 길이 방향에서 하향력 상태로 아래로 구부러질 수 있고 길이 방향에서 상향력 상태로 위로 구부러질 수 있는 막을 포함하는 어떤 MEMS 구조물에 의해서도 실시될 수 있다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 이러한 도 8 내지 도 12에서, 검은 점 C는 막이 하향한 상태에 있을 때 스위치 막(6)의 기능부(60)의 접촉 영역을 나타낸다.
도 8 및 도 9의 실시예에서, 막(6)은 기판(1)상에서 일 단부가 고정되고 하나의 필라(3)에 의해 휴지 상태로 지지되는 캔틸레버를 형성한다.
특히, 도 8의 실시예에서, 스위치 막(6)의 접촉 영역(C)은 필(3)와 막의 고정 단부(6b) 사이에 위치한다. 막(6)은 2개의 측면 비기능부(61b)를 포함한다. 각각의 측면 비기능부(61b)는 횡단 방향(Y)에서 필라(3) 외측에 위치하고 길이 방향(X)에서 필라(3)의 양면에서 연장된다. 하나의 전기 상승 작동 영역(8c)이 막의 길이 방향(X)에서 필라(3){측면 비기능부(61b) 아래}의 양면에서 막(6) 아래로 연장된다. 2개의 전기 하강 작동 영역(7c)이 있다.
특히, 도 9의 실시예에서, 필라(3)는 스위치 막(6)의 접촉 영역(C)과 막의 고정 단부(6b) 사이에 위치한다. 막(6)은 2개의 측면 비기능부(61b)를 포함한다. 각각의 측면 비기능부(61b)는 횡단 방향(Y)에서 필라(3) 외측에 위치하고 길이 방향(X)에서 필라(3)의 양면에서 연장된다. 하나의 하강 작동 영역(7c)과 하나의 전기 상승 작동 영역(8c)이 있다. 전기 상승 작동 영역(8c)은 막의 길이 방향(X)에서 필라(3){측면 비기능부(61b) 아래}의 양면에서 막(6) 아래로 연장된다.
도 10 내지 도 12의 실시예에서, 막(6)은 필라(3, 3') 보다 위에 배치되어 있는 고정-고정 막이다. 특히, 막(6)은 기판에 고정되는 암(63)에 의하여 양 단부(6b, 6c)에서 유지된다. 휴지시에 막(6)은 2개의 필라(3, 3')에 의하여 지지되거나 지지되지 않을 수 있다.
Claims (12)
- MEMS 구조물에 있어서,
길이 방향(X)을 한정하는 길이 방향 주축(6a)을 갖는 가요성 막(6)과,
상기 가요성 막(6) 아래에 있는 적어도 하나의 필라(pillar)(3,3')와,
상기 가요성 막(6)을 하향력 상태(down forced state)로 구부려 내리는데 적합한 전기 하강 작동 수단(electric lowering actuation means)(7)과,
상기 가요성 막(6)을 상향력 상태(up forced state)로 구부려 올리는데 적합한 전기 상승 작동 수단(electric raising actuation means)(8)을
포함하고,
상기 전기 하강 작동 수단(7) 또는 상기 전기 상승 작동 수단(8)은, 상기 막(6)의 일 부분 아래로 연장하고, 길이 방향(X)에서 상기 적어도 하나의 필라(3)의 양면에서 동시에 상기 막(6)에 인장력(pulling force)을 가하는데 적합한 작동 영역(actuation area)(7c 또는 8c)을 포함하는, MEMS 구조물. - 제 1항에 있어서, 상기 막(6)은, 상기 적어도 하나의 필라(3, 3') 위에 위치하고 상기 적어도 하나의 필라(3, 3')에서 지레 효과(lever effect)에 의해 구부려 내리거나 올리는데 적합한 가요성 기능부(60)와, 횡단 방향(Y)에서 상기 적어도 하나의 필라(3, 3') 외부에 위치하고 길이 방향(X)에서 상기 적어도 하나의 필라(3, 3')의 양면에서 연장하는 적어도 하나의 가요성 측면 비기능부(flexible lateral non-functional part)(61b)를 포함하고, 상기 전기 하강 작동 수단(7)의 상기 작동 영역(7c) 또는 상기 전기 상승 작동 수단(8)의 상기 작동 영역(8c)은 상기 적어도 하나의 가요성 측면 비기능부(61b) 아래로 연장하고 길이 방향(X)에서 상기 적어도 하나의 필라(3, 3')의 양면에서 동시에 상기 막(6)의 상기 적어도 하나의 측면 비기능부(61b)에 인장력을 가하는데 적합한, MEMS 구조물.
- 제 2항에 있어서, 상기 막(6)은 상기 횡단 방향(Y)에서 상기 막(6)의 상기 기능부(60)의 각 면에 위치한 적어도 2개의 측면 가요성 비기능부(61b)를 포함하는, MEMS 구조물.
- 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 기판(substrate)(1)을 더 포함하고, 상기 막(6)의 상기 기능부(60)는 적어도 일 단부에서 길이 방향(X)으로 중앙 비기능부(61a)에 의해 연장하고, 상기 중앙 비기능부(61a)는 횡단 방향(Y)에서 상기 적어도 하나의 필라(3, 3') 외부에 위치하고 길이 방향(X)에서 상기 적어도 하나의 필라(3, 3')의 양면에서 연장하는 적어도 측면 비기능부(61b)에 의해 횡단 방향으로 연장하고, 상기 기판(1)과 상기 측면 비기능부(61b) 사이의 휴지 상태의 갭(g2)은 상기 막의 기능부(60)와 상기 기판(1) 사이의 휴지 상태의 갭(g1)보다 작은, MEMS 구조물.
- 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막(6)의 상기 기능부(60)는 적어도 일 단부에서 길이 방향(X)으로 중앙 비기능부(61a)에 의해 연장하고, 상기 중앙 비기능부(61a)는 횡단 방향(Y)에서 상기 적어도 하나의 필라(3, 3') 외부에 위치하고 길이 방향(X)에서 상기 적어도 하나의 필라(3, 3')의 양면에서 연장하는 적어도 측면 비기능부(61b)에 의해 횡단 방향으로 연장하고, 상기 측면 비기능부(61b)의 두께는 상기 막의 상기 기능부(60)의 두께보다 작은, MEMS 구조물.
- 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 기판(1)을 더 포함하고, 상기 막(6)의 상기 기능부(60)는 적어도 일 단부에서 길이 방향(X)으로 중앙 비기능부(61a)에 의해 연장하고, 상기 막(6)의 상기 기능부(60)는 횡단 방향(Y)에서 상기 적어도 하나의 필라(3, 3') 외부에 위치하고 길이 방향(X)에서 상기 적어도 하나의 필라(3 또는 3')의 양면에서 연장하는 적어도 측면 비기능부(61b)에 의해 횡단 방향으로 연장하고, 상기 기판(1)과 상기 측면 비기능부(61b) 사이의 휴지 상태의 갭(g2)은 상기 막의 중앙 비기능부(61a)와 상기 기판(1) 사이의 휴지 상태의 갭(g1)보다 작은, MEMS 구조물.
- 제 2항 또는 제 3항 또는 제 6항에 있어서, 상기 막(6)의 상기 기능부(60)는 적어도 일 단부에서 길이 방향(X)으로 중앙 비기능부(61a)에 의해 연장하고, 상기 막(6)의 기능부(60)는 횡단 방향(Y)에서 상기 적어도 하나의 필라(3, 3') 외부에 위치하고 길이 방향(X)에서 상기 적어도 하나의 필라(3 또는 3')의 양면에서 연장하는 적어도 측면 비기능부(61b)에 의해 횡단 방향으로 연장하고, 상기 측면 비기능부(61b)의 두께는 상기 막의 상기 중앙 비기능부(61a)의 두께보다 작은, MEMS 구조물.
- 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 하강 작동 수단(7)은 상기 막(6)의 일 부분 아래로 연장하고 길이 방향(X)에서 상기 적어도 하나의 필라(3, 3')의 양면에서 동시에 상기 막(6)의 상기 부분에 인장력을 가하는데 적합한 작동 영역(7c)을 포함하고, 상기 전기 상승 작동 수단(8)은 상기 막(6)의 다른 부분 아래로 연장하고 길이 방향(X)에서 상기 적어도 하나의 필라(3, 3')의 양면에서 상기 막(6)의 상기 다른 부분에 인장력을 가하는데 적합한 작동 영역(8c)을 포함하는, MEMS 구조물.
- 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막(6)은 길이 방향(X)에서 서로 이격된 적어도 2개의 필라(3, 3') 위에 위치하고, 상기 전기 상승 작동 수단(7) 또는 상기 전기 하강 작동 수단(8)은, 각각의 필라(3, 3')를 위해, 상기 막(6)의 일 부분 아래로 연장하고 길이 방향(X)에서 대응 필라(3 또는 3')의 양면에서 동시에 상기 막(6)의 상기 부분에 인장력을 가하는데 적합한 작동 영역(7c 또는 8c)을 포함하는, MEMS 구조물.
- 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막(6)은 양 단부(6b, 6c)가 기판(1)에 고정되지 않는 자유 막(free membrane)이고, 상기 적어도 하나의 필라에 의해 휴지 상태에서 지지되는, MEMS 구조물.
- 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막(6)은 일 단부(6a)가 기판(1)에 고정된 캔틸레버 막(cantilever membrane)인, MEMS 구조물.
- 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막(6)은 양 단부(6b, 6c)가 기판(1)에 고정된 고정-고정 막(clamped-clamped membrane)(6)인, MEMS 구조물.
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