KR20050102073A - Microfabricated relay with multimorph actuator and electrostatic latch mechanism - Google Patents
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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. The present invention is a new type of relay incorporating a functional combination of polymorphic actuator elements with an electrostatic state holding mechanisms in developing micromachined switching elements. The combination of these elements offers the advantages of high fore polymorphic actuators with zero-power electrostatic capacity latching in microassembly relays with high dependencies and low power consumption. The operation of the relay invention essentially consists of several stable states in the device; That is, it enables a passive state that uses no power, an active state that operates a polymorphic actuator with some power, and a ratchet state that electrostatically holds a switch state that basically does not require power. Polymorph actuators according to the present invention include piezoelectric, thermal, buckling polymorph actuation mechanisms. These devices use one or more series of actuators in cantilever or fixed beam arrays, and one or more sets of electrostatic latch electrodes for state holding.
Description
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. The provisional efficacy patent describing this device is 60 / 243,786, filed October 27, 2000, which contains the same content as this application. Another application describing a related device is 60 / 243,788, which was also filed on October 27, 2000, entitled Microfabricated Double Draw Relay with Polymorph Actuator and Electrostatic Latch Mechanism. Each of these two potential efficacy inventions relates to aspects of the present invention and is incorporated herein by reference.
본 발명에 이르게하는 연구나 개발의 어느 것도 연방정보에서 보증하지는 않았다.None of the research or development leading to the present invention is endorsed by federal information.
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. The present invention relates to the general field of switching devices, more precisely to microfabricated relays. Since the basic concept of microfabricated switching devices was devised by Peterson in 1979, many attempts have been made to develop switches and relays for applications with power and high frequency.
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.The purpose of this work is to improve the efficiency and switching performance at a cost of using a compact, batch-fabricated, photolithographically-defined, movable structure as part of the machinery. To do so.
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 Micro-assembly electromechanical systems (MEMS) promise longer life, lower cost, smaller size and faster speed than switching devices manufactured by conventional invention. It provides higher performance than solid state devices. In many applications, switching elements with certain characteristics are required or preferred, particularly in high performance instrumentation, automated test devices, radars, and communication systems.
특정값들은 본 출원에 의하여 변할 수 있고, 본 발명의 상세한 설명에서 적정하게 양적화되어질 수 있다.Specific values may vary by the present application and may be appropriately quantified in the detailed description of the present invention.
1) 부하 신호들로부터 제어신호를 격리하는, 기능적으로 스위치 보다는 릴레이1) Functionally relays rather than switches, which isolate the control signal from the load signals
2) 릴레이 전극(electrode)사이의 저저항 오옴접촉들(ohmic-contacts) 2) low resistance ohmic contacts between the relay electrodes;
3) 저전력을 이용한 릴레이 개방 /폐쇄우즈(Open/Close) 상태를 움직임(toggle) 3) Toggle relay open / close status using low power
4) 제로값 (zero)혹은 저전력으로 특정한 릴레이 개방 /폐쇄 상태를 유지4) Maintain a specific relay open / closed state with zero or low power
5) 높은 정밀도와 저코스트의 제조5) Manufacture of high precision and low cost
6) 릴레이 접촉들의 고속 스피드, 큰힘의 기계적 폐쇄( mechanical closure)6) High speed, high force mechanical closure of relay contacts
7) 릴레이 접촉들의 고속 스피드, 큰힘의 기계적 개방(mechanical opening)7) High speed, large force mechanical opening of relay contacts
8) 제어 신호와 동작특성을 얻기가 용이함.8) Easy to obtain control signal and operation characteristics.
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. Many switching device development efforts have been made to achieve these benefits. But no effort has succeeded in all this. The designs of switching elements in the prior art are largely divided into two major device categories; That is, those with electrostatic activation mechanisms and those with bimorph activation mechanisms can be discussed. Each type of active or actuating mechanisms has inherent characteristics and advantages, as well as physical limitations that prevent prior designs from obtaining all the desired characteristics mentioned above.
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.Electrostatically actuated devices have two (or more) bias electrodes to which a voltage is applied. Opposite charges are generated at the surface of the opposite electrodes, and an electrostatic force is generated. If the bias electrodes deflect one another, actuation or activation is possible. Switch or relay contact electrodes in an electrostatically activated device can be mechanically paired with these moving bias electrodes. The contact electrodes can thus be mate together or separated as voltage is applied or removed.
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.Electrostatic activation essentially supports many of the operating characteristics described and, consequently, is the most widely tested MEMS activation mechanism for switches and relays. Electrostatic actuators enable switching with Ohmic-contact relays, although low resistances are difficult to obtain. They require zero power to effectively move states and zero power to effectively maintain states. The researcher can have a microfabrication technique to develop sophisticated, low-cost electrostatic actuators. Such actuators can provide fast speeds. But high closure forces are difficult to realize. And you can't develop high opening forces.
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.These actuators typically have low drive voltages (less than 10 volts) typical of modern integrated circuits, although drive currents (less than 1 mA) can be ignored. Difficult to design
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. The literature contains many examples of electrostatic MEMS switches and relays demonstrating a small activation force using low power. US Pat. No. 6,046,659 to Loo, et al., Et al. Describes a typical example of a double contact cantilever MEMS relay having an insulator-metal-insulator stack for material stress compensation. Other cantilever MEMS devices are described in yao, et al., Et al. With 5,578,976 relays; Buck, U.S. Pat. No. It has different contact metals for improved performance, such as the 5,258,591 switch. James et al. Pat. No. 5,479,042 has double contact relays that incorporate bumps that improve manufacturing. Zavracky's U.S. Pat. No. 5,638,946 separates by biasing the fixed electrodes after one initial operation in solid metal switches to add a new element to the actuation.
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.The documents also include the operation of switching devices by Milanovi et al. Here the devices are transferred from one substrate to another for improved hog-frequency signal switching.
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. At larger signal loads, several notable attempts have been made to improve performance, typically by increasing the size and power of the device at the expense of size, speed and reliability. One typical example is U.S., which has a copper element of larger and stronger size than Lee's previously mentioned efforts. Pat. No. 6.054,659. Komura et al. And Hah et al. Also have two contact-measuring MEMS relays of developed millimeter size for proper signal loading. Goodwin-Johansson's U.S. Pat. Devices according to 6.057,520; Arching is reduced in hot-switch conditions by varying the contact resistance of the electrodes as the device opens and closes.
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. Some electrostatic MEMS switching devices have been designed to lower drive voltage requirements at the expense of device size, contact force, and often manufacturing challenges. Shen et al. And Pacheco have reduced voltage requirements by increasing bias electrode size and armature flexibility. U.S. of Ichiya et al. Pat. No. 5,544,001 includes new use of stepped sloped substrate bias electrodes to reduce drive voltage.
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. Some electrostatic MEMS devices open bias electrodes with increased speed and force compared to the deflected springs passive restoring force typically found in MEMES devices. Has been designed as a set. Hah et al. Combine the resilience of a torsional spring by opposing bias electrodes to open relays as a typical example. Kasano et al. U.S. Pat. No. 5,278,368 describes a double-contact MEMS with drive-open electrodes as well as new embedded electrets that reduce the overall voltage requirements.
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)Unlike electrostatic actuators, Bimorph actuators transform control signals, causing mechanical deformation within the actuator itself. Bimorphs, or more generally, multimorph actuators, are made up of layers that show different physical responses to certain stimulus. For example, the thermal bimorph can have a first layer with a high coefficient of thermal expansion (above 10 ppm / ° C.) and a second layer with a low coefficient of thermal expansion (below 5 ppm / ° C.). When this bimorph is exposed to an increase in temperature, the relative expansion of the first layer is limited by direct contact with the second layer. The actuator will react and twist (curls). The elements have this curl to perform the work and the forces generated by the bimorph can be higher than what can be obtained by the electrostatic actuators.
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.In addition, Bimorph is essentially the MEMS actuator mechanism that supports many of the above mentioned operating characteristics and, as a result, is the second most widely tested for switches and relays. They can be used in Ohmic-contact devices. And the high forces generated by bimorph actuators result in low contact resistance. They can be designed to toggle states with little force, although only certain types of bimorphs allow for low power latching. Bimorph actuators can be made capable of providing high speed and high closure force. And similarly can be designed to provide high opening forces and speeds. Several types of bimorph actuators can also be designed with low drive voltages and low drive currents.
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. Most switching devices with bimorph actuation mechanisms select piezoelectric bimorph actuators to lower power consumption, and such devices typically exhibit many of the desirable properties mentioned previously. But. Because of the manufacturing difficulties associated with piezoelectric materials, few MEMS efforts have been studied for piezoelectric bimorph actuators. In addition, the actuation of piezoelectric bimorphs typically requires complex high voltage waveforms that prevent hysteresis and degradation. Farrall's U.S. Pat. No. 4,620,123 refer to a switching device featuring array of metal piezo-metal tri-layer actuators. Kornrump's U.S. Pat. No. 4,819,126 developed a series of piezoelectric bimorph actuators extending from the central anchor region to regulate changing signal loads. Kornrump's U.S. Pat. No. 4,916,349 also developed a piezoelectric relay that latches states by changing residual polarization in the piezoelectric bimorph itself, which allows for adjustable zero-power passive latching. Tanaka, U.S. Pat. No. 4,403,166 developed devices consisting of opposing cantilever piezoelectric bimorphs, which resulted in large closing forces and travel. All of these devices were manufactured by traditional methods. And all or many piezoelectric material limitations.
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.Most microfabricated bimorph actuators have thermal bimorphs because of ease of manufacture and drive signal generation. Such devices typically require a constant force application to remain active and often have speed limitations based on heat transfer phenomena. U.S. such as Field Pat. No. 5,467,068 discloses a general purpose thermal bimorph with stacked substrates with multiple new contact structures. Norling's U.S. Pat. No. 5,463,233 has a temperature sensitive relay with multiple contact electrodes and an electrostatic bias electrode to sense temperature. Carr's U.S. Pat. No. 5,796,152 has developed relays of engineered sets of opposing bimorphs that allow for passive mechanical latching at the expense of large size, speed, and power.
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. U.S. by Gevatter et al. Pat. No. MEMES relays by 5,666,258 and U.S. Schlaak et al. Pat. Nos. 5,629,565 and 5,673,785 together feature bimorph and electrostatic actuation, in which the piezoelectric bimorph actuator helps integrate electrostatic bias electrodes in the closing action of the device. The advantage of such a device is the rise in closing force and the reduction in drive voltage, with the penalty of increasing complexity and the need for simultaneous driving of both actuation mechanisms for proper relay functionality.
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. In spite of the long-standing needs expressed and active and wide-ranging efforts expressed by many researchers and groups, including those mentioned above, none of the end resulting devices are mechanical, radar and It does not implement all the desirable features for high performance signal switching for communication systems. The invention disclosed herein is the first device to obtain each of these properties with few associated disadvantages and limitations.
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.All accompanying drawings, except for Figures 6 and 11, are sectional views. Nomenclature of materials is achieved through functional cross-hatching, concise black borders and numerical representation of each element. All elements appearing in white or thick cross-hatching represent electrically insulated materials. Thin cross-hatched forms represent electrical conductors. Cross-hatched shapes for all elements follow the plan-view illustration of FIGS. 1, 6 and 11 for clarity and consistency. Semiconductor materials can be used for selective specification to produce the depicted semiconductor and / or insulators that depend on the doping level of the semiconductor.
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. Figure 1 is a planar illustration of one embodiment of the invention with a cross-sectional line that provides many elements that can be buried beneath the pagoda surface that is evident in this outlined and dashed outline. The cross-section of FIG. 1 is FIGS. 2A and 3A, which show the load electric and the actuator armature. 4 depicts a perspective schematic of the armature in the region of the polymorphic actuator and shows the relationships between the electrical connections. 5A and 5B show a perspective view of the relay area with latching and contact mechanisms in open and closed relay states, respectively. The bending function of the contact armature is shown in Figure 5B, which depicts the relay in a fully latched state.
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.2A, 2B, and 2C show cross sections of the load armature in the three operational states of the device. 2A is the load armature when the relay is in the passive state. Figure 2B shows the cavities induced in the armature when the relay is operated in an active state. Figure 2C shows the distortion induced in the relay when in the latched state.
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.3A, 3B and 3C show perspective views of piezoelectric polymorph actuator armatures in the same three operation states of the device. Figure 3A is the actuator armature when the relay is passive. 3B is the distortion induced by the actuator armature when the relay becomes active. The armature electrode contact is shown at 3C, which indicates a possible distortion induced in the actuator armature when in a ratchet relay state.
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. 6 to 10 are optional embodiments. 6 is a functional plan-view illustration of an embodiment having a thermal polymorph as the basic actuator. The perspective shown according to FIG. 6 is the 7A and 8A degrees, which represent the perspective of the load armature and the thermal polymorphic actuator armature, respectively. 9 depicts a perspective view of an armature in the region of a polymorph actuator. Similarly, as with 5A and 5B for the previous embodiment, 10A and 10B show the perspective of the relay area with latching and contact mechanisms in the open and closed relay states, respectively.
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.7A, 7B and 7C show the perspective view of the load armature in the device's three operation states. 7A is the load armature when the relay is passive. 7B shows the distortion induced in the relay when in the latched state.
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.8A, 8B, and 8C are perspective views of the thermal polymorph actuator armature in the same three operation states of the device. 8A is the actuator armature when the relay is passive. * B is the actuator armature when the relay is active. The armature electrode contact is shown at 8C, which represents a possible distortion induced in the actuator armature when in a latched relay state.
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.In another specific example of the relay invention, the relay may consist of multiple actuator armature structures as depicted in FIG. This relay is shown with the actuator armature perpendicular to the load armature. Such configurations with different numbers of actuator armatures or load armatures are seen in many decisions by those skilled in the art. 12 shows a perspective view of the load armature of this embodiment.
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.13A, 13B, 13C, and 13D depict perspective views of the actuator's armature in the four operating states of this embodiment. Each figure depicts not only the contact armature region around the contact electrodes, but also the thermal actuator armature required for actuating the element and the actuation necessary for opening the element. Figure 13A depicts the actuator armature when the relay is passive. 13B shows the curvature induced in the actuator armature when the relay becomes active. 13C represents the actuator armature when in the latched state. 13D represents the actuator armature when one armature is driven open.
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.The present invention relates to a new type of relay incorporating a functional combination of polymorphic actuator elements having a mechanism for holding an electrostatic state in the development of micromachined switching elements. The combination of elements offers the advantages of high-force polymorphic actuators with zero-power capacitive latching in microassembly relays with high dependability and low power consumption. In the following, a functional combination of actuator techniques is first discussed and then a detailed discussion of the various distinct embodiments of the present invention is continued.
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.The relay is a switching element with or without additional features having a control signal path separate from the load signal path. Such devices may have fluctuations and irregularities that reduce the density or integrity of a sensitive load signal (data stream or test device signal). It is possible to switch the incoming or sensitive signals from the control signals without interference. It can also be dangerous in some forms; High voltage or high current load signals can overload control electronics if allowed to respond to (eg) control signal paths; protecting control electronics in an application.
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.Since RF power cannot be perfectly contained due to capacitive or inductive coupling, radio frequency devices often require high isolation of control electronics from signal loads. Most relays have two stable operation states that define whether the load signal circuit is 1) open or 2) closed. Such devices are widely used in many efforts to create microfabricated versions of relays that demonstrate direct current, low frequency and radio frequency applications, and industrial interest. It forms a useful component for a variety of applications.
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.Polymorphic actuation mechanisms provide high speed (msec to msec actuation time) over appropriate distances (arm deflection from tens of mW to mm) with adequate power requirements (several μW to tens of mW needed for continuous operation) S) have been characterized in switching elements for for decades because of their ability to generate relatively high forces (Kent forces of N at mN). Polymorphic actuator technology is used in this invention to generate suitable contact forces to reliably and break electrical load signal contacts. However, polymorphic actuator techniques can have a number of important disadvantages discussed in the background section. For example, some techniques require constant power to maintain; If the actuator dribble signal or relay state lasts for an extended period of time (several seconds to years), others indicate weakening, unreliability, or failure.
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.In order to avoid undesirable attributes the present invention combines with a secondary mechanism with a polymorphic actuator to provide a low power, non-destructive alternative to hold the relay state. Electrostatic actuation has long been a key technology in microfabricated actuator communities because of its low power consumption (nW to μW) and fast closure times (100nsec to 100msec). The forces typical of these devices (1 μN to 0.5 mN) and actuator traversal distances (1 to 10 mm) are very limited, but most electrostatic relay efforts are limited to relay insertion loss, It is appropriately devoted to the conditions of viability (associated with contact force), isolation, and standoff voltage (associated with gap separation).
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.The present invention is superior to the preceding microassembly relays because it utilizes the respective advantages in combination of two actuation techniques. In the present invention, the electrostatic actuator is used to hold the device in one state , with most of the work required to obtain the state performed by the relatively powerful polymorphic actuator.
그러한 조합에 있어서 각 액츄에이터의 잇점들이 실현되고 각각의 불리한 점들은 제거된다.In such a combination the advantages of each actuator are realized and the respective disadvantages are eliminated.
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.The present invention describes microfabricated relays having total planer dimensions of 10 mm to 10 mm in total width and length. The planar dimensions selected for a particular design basically depend on the speed required and the power level of the signal load being switched, in the range already specified. Devices that require fast or very fast switching are designed at the low end of a given size range, while devices that handle high and very high signal loads are designed for the high end of the proposed ranges. Have sizes close to.
[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.The device attempted according to the present invention and with low signal loads from moderate signal loads and with fast switching speeds from moderate switching speeds can have planar dimensions between 75 μm and 1.5 mm. Such dimensions may be suitable for medium-range wireless communicators, transmission phased-array antenna electronics, or general communications switching applications. It is attempted in applications, such as general purpose industrial relays or high power RF systems, where high or very high signal load switches are required or where slower speeds are acceptable. The overall planner dimensions of these can be between 0.5 and 10 mm. Moreover, the applications are, for short distances (short-range) wireless communication, an antenna receiver electronics, or with or may require the device according to the invention rapid having, planar dimensions between 150mm at 10, such as some automated testing device of It is attempted in applications with light or very light signal loads requiring speed. Each of the total planar relay length and width of this range is reasonably considered to be expected in the application of the present invention. It is further recognized that applications requiring high signal loads and fast switching speeds for the same device may need to be tried with planar dimensions anywhere in the proposed ranges.
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.Detailed descriptions have been made of the sizes and possible materials for the elements for applications that define a particular signal load or switching speed. It is believed that it would be beneficial to study the geometrical selection and one embodiment of the material for one application attempted in the present invention. Consider applications with low signal loads that allow for proper switching speeds, so the initial specification shows one possible design in the application of the present invention. This embodiment is shown in Figure 1-5.
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. 1 is a functional plan-view schematic of one of the general level embodiments of the present invention. Here, one cantilever load armature and one cantilever actuator armature are free to deflect at the opposing end and fixed to the common end. These free ends are mechanically coupled together by the method of contact armature. Figure 1 is not a true plan view because elements such as electrical connections and electrodes that can be embedded in the device are depicted. If the fixed elements are made of transparent materials and the conductors block the line of sight through the device, the diagram provided in FIG. 1 will be accurate. Elements are shown with consistent cross-hatching even in plan view, and elements below the surface are shown with dashed outlines rather than with solid outlines.
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..The two cross sections shown in Figure 1 are cross-sections, Figures 2A and 2B, which represent the load armature and actuator armature respectively. Figure 4 is a cross-sectional view of the armatures in a typical region of a polymorph actuator, showing electrical connections and insulators. 5A and 5B show cross-sectional views of an area with latching and contact mechanisms in open and closed relay states, respectively. The bending of the contact armature is shown in Figure 5B, which depicts the relay in a fully closed ratchet state.
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. One aspect of the relay invention is the functionality of the armatures and whether each is necessary for the transmission of the load signal and / or control signal. It may be beneficial to review the top view as well as the side to note the location and function of each element discussed. The fixed base 101 is a rigid and integrated area, which can be made up of numerous semiconductor, metal, or dielectric elements that can be fixed together to provide mechanical force. The overall size of the fixed base can help to clarify the maximum size of the relay attached and its load signal conditioning capability. Base substrate 102 consists of a portion of a fixed base, one or more microfabrication-enabled dielectrics, such as glass, polyamide or other polymers, alumina, quartz, gallium arsenide or silicon Or a semiconductor material. In this embodiment, the base substrate is 250 mm thick and 1 mm polished quartz in each planar dimension, which is a fixed base of finely assembled-quality material large enough to facilitate automated manufacturing, packaging or system insertion. To provide.
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. Attached to this fixed base represents the electrical paths of the input and output of the signal switched by the device as the first load signal line 103 and the second load signal line 104. Also attached to the fixed base are the first drive signal line 105 and the second drive signal line 106 which are the drive signals actuating the given device. It is envisioned that in many devices according to the invention the drive signal lines will be electrical paths. Additionally attached to the fixed base leads to the latch signal in the device state given as the first latch signal line 107 and the second latch signal line 108.
본 발명에 있는 래칭 메커니즘은 캐퍼시티 전극들의 정전기력이므로 래치 신호은 첫번째 래치 신호 라인과 2번째 래치 신호 라인의 전압차이이고 따라서 전기적 경로들이다.Since the latching mechanism in the present invention is the electrostatic force of the capacity electrodes, the latch signal is the voltage difference between the first latch signal line and the second latch signal line and thus the electrical paths.
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. In the specific example shown in Figs. 1-5, the load signal lines are made of an alloy of gold plated 4um thick for low relay electrical resistance with nickel attached and 0.4um thick plating layer. Such metallization is sufficiently low and low enough to allow low loss lines for moderate load signals in light load signals. Nickel provides a plating layer without compromising the electrical performance of gold. The control signal lines and latch signal lines of this embodiment can be made of 0.4 um nickel-free plated gold material. Load power is not transmitted on the control and latch signal lines. So the low resistance of gold is not necessary. And by this omission, a low manufacturing cost can be realized. Gold is important in device packaging processes, such as in wire bonding or flip-chip attachment, or when gold plating is used.
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.In the application of the present invention, a set of materials that can be used in any electrical path, line or electrode components can be a set of conductive materials, also called conductors. The conductors used to make the relay elements according to the invention can be selected from materials having a resistance of 0.2 ohm-cm or less, which corresponds to the resistance of the semiconductor doped to a high concentration. Materials that can be used in some of the devices according to the present invention include gold, copper, silver, platinum, nickel, and aluminum. Materials that can be used in other devices according to the invention include semiconductors with added impurities such as silicon, gallium arsenide, silicon germanium and indium phosphide. It is contemplated that any alloy or combination of metals or semiconductors with overall low resistance is used.
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. The thickness of the materials for the electrical paths in the devices according to the invention can be considered to be between 0.1 and 100 μm, depending on the application and possible manufacturing techniques. Furthermore, in one device according to the present invention, it is attempted that the thickness of one electrical path may be substantially different from the thickness of a second electrical path or line in the same device as the electrical or manufacturing requirements are different. Experts in this field generally recognize that the electrical resistance of a path is related to its resistance, its thickness, its width, and its overall length. As a result, power savings can be obtained by selecting the geometries of materials and materials in a way to reduce the path resistance, especially the power resistance for signal loads of high and very high powers. The use of high resistivity, small area and thick materials can lead to Joule's Heating of the relay elements. And signal loss can be increased in the device.
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.The relationship between the thickness of the desired material and the applications can be made. Ranges provided assume electrical paths are made of conductive materials already defined. The material thickness of the path is contemplated to be used with fast switching times and low signal loads in the range of 0.1 to 3 μm for the device according to the invention. Such a path may be useful in applications that switch between low, or very low load signal powers with light, thin, and high resistance when compared to thicker paths of the same width and material. In applications with adequate signal loads and switching times it is attempted that the material thickness of the electrical paths ranges from 0.5 to 15 μm depending on the path's register and width. In applications with high load signal switching, the material thickness of the path is attempted in the range of 4-100um. Such a path has a high mass and low resistance compared to thinner paths of the same width and material.
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.In some devices according to the invention, the physical range, the properties of the material, and the electrical properties of the armatures themselves must be taken into account. In the embodiment shown in Figure 1-5, the actuator armature 109 is suspended from the fixed base area of Figures 1 and 3A. The actuator armature is of a type where one area is fixed (110) and one area is freely deflected (111). In some devices according to the invention, the armature is formed of one or more layers of microfabricable materials, such as silicon, silicon dioxide, silicon nitride, gallium arsenide, quartz, polyamide or other polymers or metals. You can think of it being made. The actuator armature of the embodiment discussed contains an 8 um thick silicon dioxide layer, selected for ease by chemical vapor deposition or spin-on glass techniques, providing an insulated solid armature structure.
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.The vertical stiffness of the cantilever beam is approximately in line with the width of the beam and is related to the third-order degree in terms of thickness and inverse third in terms of length. Order degree is considered. As a result, the design has a greater thickness and length than the width for the beam that is normally expected to be deflected perpendicular to the substrate. The total thickness of such armatures can range from 0.2um to 1um, depending on the length used in manufacturing and the application of the fabrication technique. In the device according to the invention it is reasonable to expect the armature to be between 5um and 5mm in length. The actuator armature mentioned in the present specific example provides a line resistance of sufficient width, 180 μm in length to 40 μm in width, and flexibility of the armature in sufficient length.
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. In the device according to the invention, which has been tried with very low to low signal loads with very fast to fast switching speeds, the armature can range from 0.2 to 4 um in length and 5 to 50 um in length. In devices designed for low to moderate signal loads with fast to moderate switching speeds, the armature is considered to be 1-40 um thick and 25-500 um long. In applications requiring moderate to high signal loads with moderate to slow switching speeds, it is conceivable that the thickness of the armature is from 10um to 400um in length to 100um to 2mm. In devices designed for high to very high signal loads with slow to very slow switching speeds, the armature can be assumed to be 200 to 1 mm thick and 1 to 5 mm long.
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. The mentioned armature size range applies to armatures or other elements of a rigid rectangular design, as well as to other elements and armatures that vary in one or more dimensions by means of straight or non-linear functions. I can think of becoming. An example of such an armature could be a load armature from one width to a small width at the left and right ends. It has been recognized as such a structure that may be of interest in RF applications because it can provide higher performance than rectangular load signal armatures and reduce input reflection.
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. 3A is a side view of a passive state multimorph actuator armature. A multimorph is an element consisting of two or more layers of materials with different properties, and the bimorph shown in the figure refers to a multimorph with exactly two layers. Upon exposure to the stimuli, the material layers of the multimorph actuator vary by different amounts. In the case of piezoelectric or thermal multimorph actuators, the stimulus may be applied voltage or heat, respectively. In the case of a buckling actuator, the stimulus may be a mechanical deformation in the direction of the buckling sensibility, which may be magnified by the continual physical action of the buckling elements. In each case the layers are firmly connected along one or more faces. So different expansions of the material tend to curve the multimorph in a direction away from the layer or layers with the largest expansion.
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. The multimorph actuator shown in FIGS. 1 and 3A consists of two materials 113 and 114. Each of the two materials of the multimorph is varied by different amounts depending on the given stimulus. In the presently mentioned embodiment the multimorph is a piezoelectric bimorph where the materials have different piezoelectricity coefficients. In this embodiment it is conceivable that the material 113 has the highest piezoelectricity of the two materials, with the element 114 being a piezoelectrically neutral material. The piezoelectric actuator of this embodiment can be formed from a 12-micrometer-thick lead zirconate titanate (PZT) ceramic layer formed over a 6-micrometer-thick silicon dioxide layer, actuated at an already possible actuation voltage. Enough to bend the armature.
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. Piezoelectric multimorph actuators used by the device according to the present invention include barium titanite (BaTiO3), barium titanate (BaTiO), lead niobate (PbNbO3), lead titanate (PbZrO3), lead zonate titanate and the like. It is conceivable to include piezoelectrically active materials produced in the same ceramic or in piezoelectrically active single crystals such as quartz, lithium sulfate, lithium niobate, or zinc dioxide.
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. Piezoelectric multimorph actuators used by the device according to the invention similarly comprise one or more multimorph layers made of insulating materials such as silicon dioxide, quartz, silicon nitride, or silicon free of impurities. I can think of it. For example, use the silicon dioxide armature layer already mentioned as the refiner element 114, which is currently discussed.
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. Conversely, piezoelectric multimorph actuators used by the device according to the invention can utilize piezoelectrically active materials having different minsam properties to other multimorph layers. In other devices according to the invention, it is conceivable that both elements 113 and 114 consist of multiple layers of materials with zero or nonzero piezoelectricity coefficients.
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.Depending on the application, the material, other actuator dimensions, and the fabrication technique used in the manufacture, it is conceivable that the material thickness of the elements 113 and 114 is between 0.5um and 1mm. In the device according to the invention for applications requiring low to very low signal loads and high to very high switching speeds, it is conceivable that elements 113 and 114 are 0.5 to 6 um thick. It is contemplated that the thickness of the elements 113 and 114 can range from 4 to 80 um in applications that require a suitable multimorph actuator thickness. Furthermore, some embodiments of the present invention that require high force for high to higher signal loads, which allow for low to very low switching speeds, have elements 113 and 114 in thickness. You can think of asking to be between 50um ~ 1mm.
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.The drive signal required for actuation in a device according to the invention using piezoelectric multimorph actuators may be a voltage difference depending on the thickness and width of the piezoelectric material. Figures 1 and 3A show possible arrangements for the drive signal lines of a piezoelectric bimorph. In the embodiment currently under discussion, the drive signal lines are made on top of a fixed base area protruding above the plane of the base substrate. It is conceivable that in other devices according to the invention the drive signal lines are made directly over the electrically insulated area of the base substrates. Figure 3A depicts drive signal connections 140 and 141 directed to the top and bottom of piezoelectric material 113, respectively. These drive signal connections 140 and 141 are attached to the second and first drive signal lines, respectively. The first drive signal connection 140 at the top can be easily seen in Figure 1, extending into the piezoelectric bimorph materials in the second drive signal path. The lower second drive signal connection 141 from the first drive signal path disappears under the piezoelectric material.
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. Attached to the base substrate and attached to the free end of the actuator armature is the armature electrode 115, which is electrically attached to the first latch signal line by the first latch signal path 116. Attached to the base substrate, whether under the armature electrode, is the base substrate electrode 117 which is electrically attached to the second latch signal line by the induced second latch signal path 118. Since the latch signal is a voltage difference, the conductive paths connected to the armature electrode, the base substrate electrode, and their first and second latch signal lines will be electrical paths. As with other electrical paths, it is conceivable that a conductor is used to make the armature electrode and the base substrate electrode. Similarly, it is contemplated that the material thicknesses of the armature electrodes and base substrate electrodes of the elements according to the invention range from 0.1 to 100 um depending on the application and the material, as discussed previously.
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.The planar regions of the armature electrode and the base substrate electrode are expected to be between 25 micrometer square and 25 square millimeters, respectively. For some devices according to the invention the planar region of the armature electrode will be at least half of the planar size of the multimorph actuator, which is located above it. In some devices according to the invention it is contemplated that the area shape of the electrodes is a combination of square, rectangular, or some planar arrangement.
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. In devices with very small overall sizes, such as devices that control very low signal loads with very fast switching speeds, the armature electrode and base substrate electrode may be between 25 and 500 square micrometers each in plane. In small overall size devices, such as devices that regulate low signal loads with fast switching speeds, the armature electrode and base substrate electrode can be 300 to 50,000 square micrometers in plane. It is contemplated that the armature electrode and the base substrate electrode in other devices according to the present invention having a suitable size may be between 30,000 square meters and 2 square millimeters, respectively, in a planar region. If a particular device requires a large area to generate electrostatic latching signals on an order of 1 mN or larger, then an armature electrode and a base substrate electrode in the range of 1 to 25 square millimeters can be considered.
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. Low resistance transmission lines, such as the gold load signal lines of the presently described embodiments, are generally not needed for electrostatic capacitive electrodes. A detectable DC current is not necessary to generate or disperse the voltage along the capacitive electrodes. By removing the thick metal that is not needed, the total size and weight of the relay can be reduced to promote switching speed. Each of the latch electrodes for the embodiment currently being discussed has a rectangular area of 10,000 square micrometers, as well as latch and control signal lines, these electrodes are made from 0.4 um thick nickel. This nickel is the same one that was used in the plating plane for the gold load signal lines, which simplifies manufacturing.
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. In the embodiments of the present invention under discussion, it is conceivable that the latch electrode insulator 119 can be used to prevent electrical contact between the armature electrode and the base substrate electrode when the armature is bent. Since the latch signal is a different voltage, such electrical contact can cause a short circuit of this signal and potentially a destructive event. The latch electrode insulator can be made of an insulating material. At this time, the insulating material is limited to a material having a resistance of 10 ohm-cm or more. The electrode insulator of the current embodiment consists of a 0.1 um thick layer of silicon nitrate, due to the availability of high-quality thin silicon nitride films.
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. Insulating materials that can be used for latch electrode insulators in devices according to the present invention include insulating microassembly materials such as silicon, silicon nitride, quartz, or polyimide or other insulating polymers that are undoped. . It is conceivable that latch electrode insulators range from 0.05 to 2 um thick, relatively thinner than other layers of materials used in the device according to the present invention. In some devices with very low or suitable actuator sizes, the material thickness of the latch electrode insulator may range from 0.05 to 0.4 um. Such a range would be desirable in applications where thin layers of insulating materials are available and have sufficient properties to prevent destruction of the dielectric due to field forces. For some devices that normally have very large actuator sizes and cannot use thin layers of high quality insulating materials, the thickness of the latch electrode insulator can be considered to be 0.3 to 2um.
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. There are many devices incorporating polymorphic or electrostatic components in the field of micromachine switches and relays. Polymorphic actuators are primarily used because their capacity produces a large force for any given drive power, voltage and current. Electrostatic actuators are used because they use very little force to hold and actuate switches and relays in an open or closed position. There has been a desire in the community to develop devices that incorporate large forces for reliable contacts with low power. But previous efforts have not been successful. The present invention is the first attempt to achieve this object, which is realized by integrating a high-force polymorphic actuation with both zero power electrostatic latching mechanisms.
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.The operations of the present invention give different stable states for the device. The first state is the passive state, which is the natural condition of the relay when control signals are not applied to the device. If an activation or active state is required, drive control signals are applied to the relay actuators so that the mechanical limits of the device prevent further deflection of the relay armature. Once changed, it is desirable to hold the state for an indefinite period of time in a latched state. In so doing, latch control signals are applied to the capacitor elements, attracting them with electrostatic forces and holding them together. At that time, it is possible to remove the drive control signals from the actuator, and the relay will remain in a latched state. Removing the latch control signal causes the relay to return to the passive state.
(용어의 정의)(Definition of Terms)
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. For those who are not familiar with microfabricated devices, the terms and units are briefly described. The disclosure in the drawings and detailed description of the invention includes the exact terms they are depicted in the text and numbered in the figures. For the purposes of this potentially useful patent application, each term is considered a reserved descriptor in accordance with the accepted relay industry terminology.
Milli-, m 는 1,000분의 1에 해당하는 표준 SI접두어이다.Milli-, m is the standard SI prefix corresponding to 1 in 1,000.
Micro-, m는 1,000,000분의 1에 해당하는 표준 SI접두어이다.Micro-, m is the standard SI prefix corresponding to one in 1,000,000.
Nano-, n은 1,000,000,000분의 1에 해당하는 표준 SI접두어이다.Nano-, n is the standard SI prefix corresponding to 1 in 1,000,000,000.
Newton, N은 Kg meter/ second-squared에 해당하는 힘의 SI단위이다.Newton, N is the SI unit of force corresponding to Kg meter / second-squared.
Micron,mm혹은 마이크로 미터는 밀리미터의 1000분의 1에 해당하는 길이의 단위이다.Micron, mm or micrometer is a unit of length equal to one thousandth of a millimeter.
미세조립은(microfabrication) 통합된 서큐트 디벨로퍼 커뮤너티에 의하여 유행하는 포토리소그래픽 기술을 통하여 모사되는 요소들을 규정하는 조립방법으로 정의한다.Microfabrication is defined as an assembly method that defines the elements to be simulated through photolithographic techniques that are popular by the integrated SERVE developer community.
마이크로머시닝은, 사진석판으로(photolithographically) 정의되어 왔던; 종종 산이나 염기들을 이용하는 에칭(etching) 프로세스에 의하여실행되는, 마이크로패브리케이티드된 요소들을 묘사한 행동으로 정의한다.Micromachining has been defined photolithographically; It is defined as an action that depicts microfabricated elements, often performed by an etching process using acids or bases.
엑추에이션은 릴레이 혹은 다른 스위칭 소자의 오프닝과 클로우징의 액션으로 정의한다.Actuation is defined as the action of opening and closing a relay or other switching device.
액츄에이터는 엑추에이션에 필요한 에너지 전환 메커니즘으로 정의한다.Actuator is defined as the energy conversion mechanism required for the actuation.
전기자(armature)는 릴레이 도는 다른 스위칭 소자들을 열거나 닫기위하여 액츄에이터에 의하여 디플렉트 되거나(deflected) 움직여진 어떤 요소로 정의한다.An armature is defined as any element deflected or moved by an actuator to open or close a relay or other switching elements.
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.A polymorph consists of a combination of layers that change size when exposed to a stimulus, where the size change is defined as an actuator that changes to two or more different layers.
바이모프는 정확히 2개의 레이어를 다형으로 정의한다.Bimorph defines exactly two layers polymorphically.
다형 레이어는 다형의 어떤 하나의 레이어로 정의하며 , 이 때 각각의 특정 레이어는 다형 에 대하여 정의된 구동 자극들에 민감하거나 민감하지 않을 수 있다.A polymorphic layer is defined as any one layer of polymorphism, where each particular layer may or may not be sensitive to the driving stimuli defined for the polymorphism.
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.Piezoelectric polymorphs or polymorphs are defined as polymorphic actuators that are sensitive to electric voltage stimuli, where one or more layers have a non-zero coefficient of piezoelectricity.
써멀 다형은 뜨거운 혹은 차가운 자극들에 민감한 다형 액츄에이터로 정의하여 여기에서 하나 혹은 그 이상의 레이어들은 논-제로(non-zero) 열확장 계수를 갖는다.Thermal polymorphs are defined as polymorph actuators that are sensitive to hot or cold stimuli, where one or more layers have a non-zero thermal expansion coefficient.
버클링(buckling) 다형은 편향 자극들에 민감한 다형 액츄에이터로 정의하며 여기에서 하나 혹은 그 이상의 레이어들은 버클링 현상에 따른 수준에서 논-제로 스트레스를 갖는다.Buckling polymorphisms are defined as polymorphic actuators that are sensitive to deflection stimuli, where one or more layers have non-zero stress at the level due to buckling phenomena.
고정 베이스(fixed base)는 메카니컬 서포트를 제공하는 견고한 완전한(integral) 릴레이 지역으로 정의한다.Fixed base is defined as a solid integral relay region that provides mechanical support.
베이스 기판은(base substrate)는 고정 베이스의 한 부분을 구성하는 미세조립 기판으로 정의한다.Base substrate is defined as a microfabricated substrate constituting a part of the fixed base.
부하신호(load signal)는 릴레이 혹은 다른 스위칭 소자에 의하여 스위칭될 수 있는 신호로 정의한다.A load signal is defined as a signal that can be switched by a relay or other switching element.
부하신호는 부하신호가 스위치되는 포트(port)(인풋 혹은 아웃풋)로 정의한다.The load signal is defined as a port (input or output) to which the load signal is switched.
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. The armature contacts form elements in the armature that physically contact and / or release the contact elements to form and / or disconnect paths to allow load signals to proceed from the input to the load signal line. It is defined as
접촉 전기자는 부착된 전기자 접촉 요소들을 갖는 전기자로 정의한다.A contact armature is defined as an armature with armature contact elements attached.
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.The base substrate contact is defined as an element located on the base substrate that physically engages and / or disengages other contact elements to form and / or disconnect an induction path from the input to the output load signal line. All.
구동 신호란 릴레이 혹은 스위치의 활성화를 일이키는 신호로 정의한다.A drive signal is defined as a signal that triggers a relay or switch activation.
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.The drive signal line is defined as a line directed to a drive signal. At least two drive signal lines are needed for the electrical drive signal, one for the signal and the other for the reference.
래치 신호란 열린 혹은 닫힌 상태에서 릴레이 혹은 스위치를 홀딩하는 신호로 정의한다.A latch signal is defined as a signal holding a relay or a switch in an open or closed state.
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.The latch signal line is defined as a line directed to the latch signal. At least two latch signal lines are needed for the electric latch signals, one for the signal and the other for the signal.
전기자 전극이란 전기자 부착된 전도성 지역(conductive area)으로 정의하는데,그 위에 래치 신호들 혹은 그 들의 레퍼런스들이 향한다.An armature electrode is defined as an armed conductive area, onto which latch signals or their references are directed.
베이스 기판 전극이란 베이스 기판에 부착된 전도성 지경으로 정희하는데 , 그 위헤 래치 신호들 혹은 그들의 레퍼런스들이 향한다.The base substrate electrode is defined by the conductive diameter attached to the base substrate, on which latch signals or their references are directed.
래치 전극 절연체란, 전기자 전극과 베이스 기판의 전극 사이에서 전기적 접촉을 일어남을 방지하는 ,절연지역(insulating region)으로 정의한다. The latch electrode insulator is defined as an insulating region which prevents electrical contact between the armature electrode and the electrode of the base substrate.
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. The present invention generally involves switching small signal loads and speeds as compared to relay field standards. For example, no functional difference between mm and mA is made in relation to the load signal strength for conventional relays.
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.On the other hand, the performance and design differences of the micro-assembled relays for these different load signals can be significant. For the purposes of this patent the following speed and signal loads are defined. Note that this classification differs from those defined in the relay field standard.
아주 빠른 스위칭 타임은 100nsec이하로 정의한다.Very fast switching time is defined as less than 100nsec.
빠른 스위칭 타임은 100nsec에서 1 μsec로 정의한다.Fast switching time is defined as 100 μsec to 1 μsec.
알맞은 스위칭 타임은 1 μsec에서 100 μsec로 정의한다.The appropriate switching time is defined as 1 μsec to 100 μsec.
느린 스위칭 타임은 100 μsec에서 10msec로 정의한다.Slow switching time is defined as 100 msec to 10 msec.
아주 느린 스위칭 타임은 10msec보다 큰경우로 정의한다.Very slow switching time is defined as greater than 10msec.
매우 낮은 신호 로드는 10 μA DC 전류(current) 혹은 100 μW RF 파워보다 적은 것으로 정의한다.Very low signal loads are defined as less than 10 μA DC current or 100 μW RF power.
낮은 신호 로드는 10 μA에서 10mA 혹은 100 μW에서 100mW로 정의한다Low signal load is defined as 10 mA at 10 μA or 100 mW at 100 μW
알맞은 신호 로드는 100 mA에서 500mA 혹은 100mW에서 5W로 정의한다.The appropriate signal load is defined as 500 mA at 100 mA or 5 W at 100 mW.
높은 신호 로드는 500mA에서 5A 혹은 5W에서 50W로 정의한다.High signal load is defined as 5A at 500mA or 50W at 5W.
매우 높은 신호 로드는 5A의 DC전류 혹은 50W의 RF 파워보다 큰 것으로 정의한다.Very high signal loads are defined as greater than 5A of DC current or 50W of RF power.
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. In the discussed embodiment of the present invention, it is also conceivable that the latch electrode insulator is attached to the top surface of the base substrate electrode. In another device according to the invention, the latch electrode insulator may be attached to the lower surface of the armature electrode. In other devices, it is contemplated that the latch electrode insulator can be suspended between the electrodes, and can be mechanically attached to the edge of the relay structure by either method. If the electrodes and insulator ultimately are mechanically connected to a fixed base, they do not have to be continuous films like membranes, but also take the form of holes, lines or gratings in different devices. Can be.
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. 1 to 5 are characterized in that in their design a second main armature, i.e. a load armature 159, floats away from the fixed base region of FIGS. 1 and 2A. In a similar manner to the actuator armature, this load armature takes the form of a cantilever with a fixed area 160 and a bendable area 161. In any device according to the present invention, the armature is made of silicon, silicon dioxide, silicon nitride, gallium arsenide, quartz, polyimide or other polymers. It is also conceivable to fabricate layers of materials or metals capable of microfabrication. The actuator armature of the discussed embodiment is combined with a layer of 8 μm thick silicon dioxide selected to provide an insulated and rigid armature structure to which microfabrication techniques can be applied.
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. In the same way as the cantilever beam of the actuator signal armature, the thickness and length of the multimorph actuator armature have greater design importance relative to the width for the beam expected to be bent in the vertical direction perpendicular to the substrate plane. . The load armature of the embodiment discussed has a length of 180 μm and a width of 25 μm.
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. An armature contact element 120 electrically connected to a first load signal line via an armature contact element path 121 is perpendicular to the base substrate of the armature of FIG. 2A. Attached to the location. In certain devices according to the invention, the armature contact, the conductive path and the first load signal line can be made of similar material and thickness to simplify the process. In other devices according to the invention, in order to improve the mechanical and electrical properties of the contacts, the armature contacts may be made of a material and thickness different from the conducting path and the first signal line. In either device, the armature contact, conduction path and first load signal line can be fabricated from a variety of different materials and thicknesses for ease of performance and process. The armature contact path of the embodiment discussed is a 5 μm thick gold alloy.
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.In the devices according to the invention, the dimension of the armature contact has a value between 0.5 μm 2 and 1 mm 2 , in total area. The shape of the area may be rectangular, circular, oval or any nonstandard geometric shape. In the case where the devices according to the invention are used in applications using low or very low signal loads, the armature contact can have an area between 0.25 μm 2 and 30 μm 2 . In devices suitable for low or typical signal loads, the armature contact may have an area between 20 μm 2 and 3000 μm 2 . In devices suitable for high or very high signal loads, the armature contact may have a total area between 2000 μm 2 and 1 mm 2 .
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. According to the performance requirements of the contact, the contact may be adapted to use different material layers to provide improved mechanical wear properties over the mechanical wear properties of the other electrical paths used in the device according to the invention. May be required. In one device, the different layers of hard metals, such as nickel, tungsten, rhenium, rhodium or ruthenium, located either above or below the nominal contact surface. It is also conceivable to include layers. It is also contemplated that a layered combination of alloys or alloys and other low resistance metals is used to fabricate the armature contact. In the devices according to the invention, each material used for the armature contacts is expected to have a thickness suitable for the application, which thickness can be between 0.1 μm and 100 μm. It is also conceivable that the thickness of the armature contact can vary with the area on the plane in order to provide a difference in depth and shape depending on the given application and embodiment.
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. In devices according to the invention suitable for applications using low or very low signal loads, it is also conceivable that the material thickness of the armature contacts ranges between 0.1 μm and 2 μm. Such contacts will be lighter and thinner with higher resistance compared to thicker paths with the same material and planar shape. For devices suitable for signal loads between low and medium, it is conceivable that the material thickness of the contact has a value between 0.5 μm and 10 μm. Such contacts will have moderate mass and resistance compared to components and pathways using the same material by other possible micro processes. For devices that switch high or very high load signal power supplies, it may be considered that the material thickness of the path has a value between 5 μm and 100 μm. This component will have higher mass and lower resistance compared to thinner components and paths using the same material. In the embodiment shown in Figures 1 to 5, the contacts are made of the same gold alloy as used for the signal lines and are curved 0.5 μm thick to provide a strong, wear resistant contact area for reliable contact performance. Rhenium overplate is added.
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.The detailed shapes of the contact portion, the path and the signal line are considered to be not limited to the shapes shown in FIGS. 1 and 2. In any of the devices according to the invention, the conduction path can be thought of as being attached to the bottom of the armature, or through the middle body of the armature, rather than attached to the top of the armature. Such shapes are represented in the second and third embodiments shown in FIGS. 6-10 and 11-13. Unlike FIG. 1A, where the conductor represents a less important example than the other materials that make up the armature, in some devices the conducting path may correspond to the primary material of the armature. In contrast, for other devices, the mechanical properties of the armature conductors do not correspond to the main part that determines the mechanical properties of the entire armature. Such a design may be desirable as some conductive materials are susceptible to mechanical degradation with prolonged use. In addition, it is conceivable that the shape of the armature contact is not limited to a flat shape, but may be a curved shape, a stepped shape, or a shape having a rough surface.
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. A base substrate contact element 122 electrically connected to the second load signal line by the conduction path 123 faces the armature contact shown in FIG. 2A. The shape, material and thickness of the base substrate contact, the second load signal line and the conduction path may be determined by the armature contact, the first signal line and the conduction path, taking into account general device considerations and the specific embodiments shown in FIGS. Should be considered in a way.
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. Some of the components provided in FIG. 1, which are not shown in FIGS. 2A and 3A in cross section, correspond to the contact armature 124 of the relay. The contact armature corresponds to a region ranging from a region rigidly connected 125 to a freely bent region 126 to a principal armature or armature electrode. The functional utility of this rigid connection and free area is represented in the cross-sectional views of FIGS. 5A and 5B. It is contemplated that the contact armature can be made by an insulating material as defined. In some devices according to the present invention, the contact armature may be made of the same material as the load armature or the deactivated component of the actuator armature. In such devices, the contact armature is an integral component with these components, and it can be considered to be rigidly connected.
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.In accordance with the device of the present invention, the insulating material used as the contact armature includes microfabrication materials such as silicon, silicon nitride, silicon dioxide, quartz, polyimide or other insulating polymers. And, the contact armature applied to the relay has a thickness between 0.3 μm and 1 mm depending on the material. When the device of the present invention has very low or low signal loads, the material thickness of the contact armature is set to 0.3 to 8 mu m. When the device of the present invention is applied to have a normal signal load, the material thickness of the contact armature is set to 4 to 80 mu m. When the device of the present invention is applied to a field requiring a hard or thick contact armature (eg, having a high signal load), the material thickness of the contact armature is set to 50 to 300 mu m. And, the material thickness of the contact armature is set to 200 mu m to 1 mm when the device of the present invention is applied to a field having a large plane size and a high or very high signal load.
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. The planar dimension of the contact armature is similar or smaller than the size of the load signal armature and polymorph actuator armature. In addition, the width and length of each of the plane sizes is determined between 2 μm and 5 mm corresponding to the application in order to provide a contact force for the relay to maintain a latched state. When the device of the present invention has a low or very low signal load to switch at a very fast switching speed, the plane size is set to 2 to 20 mu m. When the device of the present invention generally has a signal load lower than a general signal load, the plane size is set to 10 to 200 mu m. When the device of the present invention has a signal load higher than a general signal load in order to switch at a slow speed, the plane size is set to 100 µm to 1 mm. And, the plane size is set to 0.5 to 5 mm when the device has a high or very high signal load to switch at a late or very slow speed. The range of such signal armatures can be varied by one or more linear or nonlinear functions as well as the fixed rectangular design elements to which they apply.
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. The contact armature according to the embodiment of the present invention shown in FIGS. 1-5 has a width of 100 μm (silicon nitride), a length of 100 μm, and a thickness of 6 μm. Such devices are driven with normal power and speed processing capabilities and include piezoelectric polymorphic drives as well as electrostatic latch mechanisms.
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. 4 is a schematic representation of the cross-sectional view of FIG. 1, showing a relay with a polymorphic actuator. FIG. An armature is provided on the base substrate 102 (fixed portion) as shown in FIGS. 2A and 3A. In this embodiment of the present invention, it is assumed that the polymorph illustrated in FIG. 4 is a piezoelectric polymorph actuator. The actuator includes an upper piezoelectric material 113 having an upper side electrically connected to the first drive signal connection unit 140 and a lower side electrically connected to the second drive signal connection unit 142.
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. In an embodiment of the present invention, the lower material 114 may be selected as a piezoelectric neutral material. This lower material 114 has an electrical connection line 116 connected to an armature electrode attached to the lower surface. Further, according to another embodiment of the present invention, the armature electrode may be attached to the upper or middle portion of the lower material. As shown in FIG. 4, the electrical connection 121 of the armature contact is in contact with the flat surface of the load of the armature. Each electrical connection may be located on an insulated surface in any form in other elements. Here, the material, thickness, configuration of the electrical path, polymorphic actuators and the like have been discussed in the previous implementation.
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. 5A and 5B schematically illustrate the cross-sectional views of FIGS. 1-5, which show cross-sectional views of free regions of the main armature system. Those skilled in the art generally know that in relay design, contact elements are the source of electrical conduction when the relay is in the Close State. As shown in FIG. 5A, the base substrate 102 (fixed portion) has a contact armature 124 attached to the surface of the base substrate. The contact armature 124 is attached to the armature electrode 115 of the main armature and has a free end at which the armature contact is located. The base substrate electrode 117 and the latch electrode insulator 119 are positioned opposite the armature electrode 115. The base substrate contact 122 is located on the upper surface of the base substrate 102 to face the armature contact 120, and the electrical connection 123 of the armature contact is connected to the center of the armature.
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. FIG. 5B shows the bending function of the armature contact and is the same as FIG. 5A except that the relay is changed from the passive state to the closed and latched state. Here, the details of the passive state, the closed state and the latch state will be described later. The armature generates a spring force by the contact force of the armature contact and the base substrate contact. The initial gap Gap of the latch electrodes (and latch electrode insulators) is set to be larger than the original gap of the contact electrodes, and this difference determines the amount of deflection of the armature contact when the relay is closed. In the various elements according to the invention the spring force of the contact armature is the total contact force between the contact elements. The contact armature may only be involved in part of the total contact force between the contact electrodes. In other devices the contact armature may make the contact force between the contact elements very small or absent.
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. The first state of the relay shown in Figs. 2A, 3A and 5A is defined as a passive state. Here, in the passive state, the relay does not supply a control signal to the element. The stability of a device in this natural state is defined by the metrology geometry and the manufacture of a given relay. 2A, 3A, and 5A show examples of typical armatures of devices designed in accordance with the present invention. Is not). In other devices according to an embodiment of the present invention, the polymorphic actuator armature or load signal armature may be set to face upwards when in a passive state. And, in other devices the polymorphic actuator armature or the load signal armature can be set to face down the plane when in the passive state.
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.If a relay state other than the inactive state is required, a drive control signal may be provided to the relay actuator. An example of an operation result in which the mechanical limitations of the device prevent the relay armatures from bending further is the steady state defined as the first activated state. If the polymorphic actuator of Fig. 3B is bent downward due to the drive control signal, the first activation state in the device according to the invention can be shown as in Figs. 2B and 3B. In this embodiment, the armatures of FIGS. 2A and 3A can be mechanically coupled, where the actuator contact member and the base contact member meet if some or all of the downward deflection induced by the actuator armature can be coupled to the load signal armature. Squeezed into By definition of the activation state, it can be seen that the contact of the armature electrode with the latch electrode insulator of the base substrate electrode is not necessary. Such contact is possible and is illustrated in the embodiment of the invention of FIG. 3B. In addition, such contact does not occur in other embodiments of the present invention.
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. If the operational state of the relay changes from an inactive open contact to a closed contact of the first active state, it may be desirable in many applications to maintain a closed contact in an infinite period of time. Another relay state, defined as the first latch state, begins by providing latch control signals to the capacitive latch members to attract and hold them electrostatically. In several devices according to the invention such operations are achieved by leveling the armature electrode and maintaining a closed contact. The embodiment shown in FIG. 3C reflects the condition that the load signal armature is flat when the armature electrode is flat.
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.The first latch state causes a drive control signal to be removed from the actuator, and the relay remains in the first latch state. In some devices, including the embodiments described above, the last removed latch control signal may cause the relay to become inactive again. In some devices, the return to the inactive state occurs due to the restoring force inside the armature itself. In other devices, forced assistance from the polymorphic actuator will help the relay return to inactive state. Examples of such assistance are not described in the embodiments of FIGS. 1-5, but will be described in the embodiments of FIGS. 11-13.
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.In certain devices according to the present invention, the piezoelectrically driven armatures of FIGS. 3A, 3B and 3C may be composed of two or more polymorphic materials whose piezoelectric coefficients are not zero. In any device each non-zero counting material must be a layer of one or more of the described piezoelectric ceramic or crystalline materials. In such polymorphic actuators, the upper piezoelectric material can expand while the lower piezoelectric material is contracted. This polymorph produces twice the force that can be useful for a particular device design given a fixed overall actuator armature thickness.
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. Polymorphic actuators with one or more piezoelectric layers can be used to generate the closing force as well as the closing force as proposed in FIG. 3B. In some devices according to the invention, the open force of the polymorphism can be realized by inverting the closed drive control signal and supplying its opposite signal. The ability to drive the actuator in different directions depending on the polarity of the control signal is one advantage of the piezoelectric polymorphism. This advantage is provided in the piezoelectric polymorph elements according to the present invention.
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.1-5 illustrate the structural members required for an embodiment characterized by a single piezoelectric polymorph actuator structure for driving one contact armature. The present invention is designed to take into account the functional concept of a relay driven by a polymorph actuator with an electrostatic latch action. Other embodiments in which the polymorph consists of different actuator material combinations, or in which the relay consists of multiple contact armatures, actuator armatures, or other, are also within the scope of the present invention. 6 to 10 show a second embodiment having armatures and which is functionally equivalent to those of FIGS. 1 to 5. The description of the plan view is shown in FIG. 6 together with FIGS. 7 to 10 showing detailed cross sections in the same manner as in the first embodiment. For clarity from the first embodiment the reference numerals for the second embodiment start from 200 instead of 100, and the last two digits mean functionally equivalent.
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. 6 is a plan view of a relay consisting of two main armature structures in a similar manner as the relay of FIG. The members of FIG. 6 are considered to be similar to the members of FIG. 1, differing only in the geometric and material choices for the components present in the actuator and the essential members in this embodiment. As shown in the buried members of FIG. 1, typical members not visible from the top surface are drawn in dashed lines for clarity. The specific shape and location of signal lines and paths are at the discretion of the designer and are represented in the examples provided for illustrative purposes. The construction of the materials, thicknesses, and electronic pathways is applied resiliently within the scope of the present invention as previously mentioned.
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.Fixed base 201, base substrate 202, first 203 and second load signal lines 204, first 205 and second drive signal lines 206, and first 207 and second latches The members of the signal line 208 are as shown in FIG. The actuator armature 209 is illustrated so that one end is fixed 210 and the other end 211 is not fixed to bend in the normal direction to the base substrate. The load armature 259 is seen as one end is fixed 260 and the other end 261 is not fixed to bend well. The actuator latch electrode 215 may be viewed as the latch signal control line as well as the essential actuator latch electrode path 216. In the presently mentioned embodiment the actuator latch electrode path is directed from the armature to the base substrate by means of a metallic anchor region, some of which may be solder bumps or other conductive mechanical and electronic connections. The path of the substrate latch electrode 217 and the second latch control signal line 218 is similar to that shown in FIGS. 6 and 8A. 8A shows that this embodiment is provided with a latch electrode insulator 219 on top of the substrate latch electrode. The actuator contact member 220 and the actuator contact member path 221 exist on the first load signal line, and the electronic connection 223 is connected from the substrate contact member 222 to the second load signal line. In this embodiment the actuator contact member path is constructed from the armature to the base substrate by a metallic anchor region by similar means as mentioned for the latch electrode path. The load armature 224 is not fixed so that one end 226 is attached to the latch electrodes and bent 225 in the region of the armature contact member.
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.The specific materials and shapes for this embodiment have been chosen to design devices that can handle very low load signal forces at high switching speeds. The load armatures have plane widths and lengths of 15 μm and 75 μm, respectively, and are made of 2 μm thick silicon nitride. The load signal path and contact members are made of 2 탆 deposited gold. The portion of the fixed base attached to the armature fixed end is a cross section of the silicon handle wafer and is bonded to the ceramic base substrate through gold-platinum and solder bonding. All conductors on the base substrate are 2 μm thick gold. The latch electrode insulator is 0.2 탆 silicon nitride.
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.On the other hand, the actuator shown in FIG. 3A is a piezoelectric release, and the main actuator for this embodiment is a thermal polymorph. The thermal polymorphism is shown in the configuration of two major release members, an upper thermal polymorph layer 227 and a lower thermal polymorph layer 228. In this embodiment, the upper thermal polymorph layer is designed with a large coefficient of thermal expansion. The use of metals for thermal polymorphisms that require large coefficients of thermal expansion is common to those skilled in the art of thermal polymorphic construction. The use of insulating materials for thermal polymorphic layers that require a small coefficient of thermal expansion is commonly known. In the presently mentioned embodiment the polymorphic shape is 2 μm thick palladium for the upper polymorph layer and 2 μm thick silicon nitride for the lower polymorph layer.
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.It has been envisioned in some devices according to the present invention where metal can be used for layer 227 and insulators are used for layer 228. In some devices, the materials can be used as a thermal polymorphic material including metals such as gold, copper, silver, platinum, nickel and aluminum. In some devices, the materials can be used for other layers including semiconductors such as silicon, gallium arsenide, silicon germanium, and indium phosphide. Any alloy or layered bond of metal or semiconductor may be applied to the device according to the invention. The materials may also be used as a thermal polymorphic material including insulators such as silicon, silicon nitride, silicon oxide, quartz, or polyimide or other insulating polymers. It is known that each of the layers 227 and 228 can be configured in a large amount of layers to design a particular tool in the actuator.
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. The thickness of the thermal polymorphic actuator layers is planned in the range of 0.1 to 500 μm, depending on the material, manufacturing process, use and shape of the other members. In some devices according to the present invention, which are high or very high switching speeds and very low switches with low signal load, layers 227 and 228 will range from 0.1 to 3 μm thick. In applications with high or medium switching speeds and low to medium signal loads, layers 227 and 228 will range from 2 to 30 μm thick. In addition, when some devices require thicker polymorphic actuators, such as those required for applications requiring medium to heavy signal loads at medium to slow switching speeds, layers 227 and 228 may be between 20 and 200 μm thick. It will be a range. If the use of high or very high signal load switching is planned at slow or very slow speeds, the materials 227 and 228 will range between 150 and 500 μm thickness. It goes without saying that the thickness or thickness range of the polymorphic layers is not similar to other layers.
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.8 shows a cross-sectional view of the heating unit 229. In some devices, this heating portion is like the path of a resistive conductor at the surface of the non-conductive layer. Specifically, this heating part is made of a nickel chromium alloy 0.3 μm thick. In the device according to the invention, the heating part may be made of a material having a resistance between 0.001 and 10 ohm-cm. The heating portion may be made of metal or semiconductor material. This takes into account the thickness of the heating part between 0.05 and 10 μm. This shows that the resistance of the resistor may be less than 0.1 ohm-cm and the thickness may be between 0.05 and 2 μm. In more detail, the resistance of the resistor is greater than 0.1 ohm-cm and the thickness is between 0.5 and 10 μm.
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.8A, the heater insulator 230 is represented. In detail, the heating section is separated from the electrically conductive polymorph layer. If the upper thermal multimorph layer 227 is made of metal in the device according to the invention, the insulator layer is provided with the heating part 229 and the upper thermal polymorphic layer so that the heating part 229 operates correctly. Will isolate (227). Looking at this in more detail, the upper thermal polymorphic layer 227 is conductive, so it is advantageous to insulate it from the heating portion. Describing this in more detail, the underlying polymorphic layer 228 is an insulator. It will therefore operate normally without interference from adjacent heaters.
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. The heating insulator is made of an insulating material such as a latch electrode insulator already defined. In view of the device according to the present invention, materials that can be used as heating insulators may include silicon nitride, silicon dioxide, quartz, or polyimide or other insulating polymers. The material used as the heating insulator is relatively thin and has a thickness of 0.05-3 μm compared to the layers of other materials used in the fabrication of certain devices. The material thickness of the insulation can be between 0.05 and 0.5 micrometers. Thin layers of insulation in this range require sufficient quality to prevent breakage of the dielectric due to the force of the electric field. Heating insulators of high quality silicon nitride have a thickness of 0.1 μm. In other devices where high quality insulating materials are not available, the material thickness of the latch electrode insulator has a thickness of 0.3-3 μm.
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.9 shows a portion of a relay coupled with a polymorphic actuator, and is a schematic cross-sectional view of the device illustrated in FIG. 6. Base substrate 202, which is part of the fixed base, is illustrated in this figure with the armature of FIGS. 7A and 7B suspended above the top surface of the base substrate. In the aforementioned embodiment of the present invention, the polymorph of FIG. 8 is a thermal multimorph actuator. The actuator includes an upper thermal polymorphic layer 227 having electrical connections of the first drive signal connection 240 and the second drive signal connection 241 shown, each forming a portion of the heating portion itself and the heating insulator. Surrounded by 229. The lower thermal polymorph layer 241 is made of the same material as the actuator armature 209 and the actuator latch electrode path 216 is shown on the bottom surface of the armature. The load signal path 221 is shown on the bottom surface of the load armature in the same form. The drive signal path is made of 0.3um nickel-chromium alloy in the heating part, the latch signal path is made of 0.2um nickel layer, and the load signal path is made of 2um sputtered gold layer.
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. 10A and 10B show cross-sectional views cut in the free region of a principal armature system. This area includes contacts for electrical conductivity when the relay is in the closed state. Base substrate 202, which is part of a fixed base, is shown with contact armature 224 suspended above the base substrate upper surface. Contact armature 225 is attached to the main armature at the position of armature electrode 215. The base substrate electrode 217 faces the armature electrode and is attached to the latch electrode insulator 219. Base substrate contacts 222 are positioned over the top surface of the base substrate facing the armature contacts. The bending function of the contact armature is illustrated in FIG. 10B, where the relay is shown in the same cross section as in FIG. 10A except that it is in a latched state rather than a closed state and in a passive state, and this state is described in the detailed description of FIGS. 5A and 5B. Mentioned.
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. Fig. 11 is a functional plan view schematically showing the third embodiment, wherein the relay is composed of three main armatures instead of two as in the first embodiment mentioned above. The relay of FIG. 11 is designed such that the actuator armature is perpendicular to the load signal armature. It should be appreciated that the specific number of each armature in the configuration and specific device design for parallel or vertical actuator armatures is a feature determined by one skilled in the art in various materials, geometries, and applications. 12 is a schematic cross-sectional view of the load armature in the passive, open state. 13A-13D are schematic cross-sectional views of the thermal polymorph actuator and contact armature of this embodiment. Reference numerals of the third embodiment start from 300, and for clarity, the last two digits represent the same function as the first and second embodiments.
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. The components of FIG. 11 are assumed to be the same as the components of FIGS. 1 and 6, and are illustrated differently in the actuator components, and the same elements in this embodiment are contour and material selection. Like the examples of the invisible elements of FIGS. 1 and 6, the components that are substantially invisible from the top view are outlined by dashed lines for clarity. The specific contour structure and position of the signal lines and paths is the designer's decision and is represented in the proposed embodiment for illustrative purposes. It should be considered that the material, thickness and configuration of the electrical path are adaptive within the scope of the invention mentioned above.
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. The configuration of the fixed base 301 is represented by a base substrate 302, first and second load signal lines 303 and 304, first and second drive signal lines 305 and 306, and first and second latch signal lines 307 and 308. In the closed actuator armature 309, one end 310 is fixed and one end 311 is not fixed to the base substrate and is oriented in a standard base substrate direction. The load armature 359 is fixed at one end 360 and one end 361 is not fixed but appears perpendicular to a closed actuator arm that is bent onto a standard base substrate. The open actuator armature 389 appears opposite the closed actuator armature and has a fixed end 390 and an unfixed end 391 in the form of a mirror.
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. The armature configuration is designed to run large load signals at slow switching speeds. The basic material of the armature is a single crystal silicon layer having a thickness of 12 μm. The load armature has a width of 200 μm and a length of 800 μm. The actuator armature has a width of 250 μm and a length of 650 μm. The lines and paths of the load signal are constructed from a copper alloy of 8 μm thickness. The lines and paths of the control and latch signals are constructed from sputtered 2 μm thick nickel-chromium alloys.
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. One actuator latch electrode 315 is shown in a closed actuator armature and a second latch electrode 365 is shown in an open actuator armature. The necessary latch electrode paths 316 and 366 and latch signal control lines 307 and 357 are clearly shown in Fig. 13A, respectively. In the closed actuator armature substrate latch electrode 317, the second substrate latch electrode path 318 of the second latch control signal line is shown. In a similar manner, the substrate latch electrode path 378 of the open actuator armature is shown in FIG. The load signal path 321 in contact with the actuator contact portion 320 and the first load signal line can be seen in FIGS. 11 and 12. The substrate contact material path 323 between the second load signal line in the substrate contact material is clearly shown in FIG. 12.
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. With the relay of Fig. 11, which is designed as a dual armature, there are multiple contact armatures. The closed actuator contact armature 324 is secured to one end 326 of the latch electrode and is curved 325 without being fixed in the region of the armature contact material. The open actuator contact armature 374 is fixed to one end 326 of the latch electrode and the region of the armature contact material is flexed 325 without being fixed. The closed actuator consists of an upper thermal release layer 327 and a lower thermal release layer 328 with similar material and external consolidation, such as thermal polymorphs in conventional configurations, and is clearly represented in FIG. 13A. . The open actuator consists of an extended thermal release layer 377 with a formal actuator layer 378 at the bottom.
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.The closed heating unit 329 with the resistance component provides a control signal consisting of an electric current to the method of heating the closed double actuator. As with the resistive component 229 discussed above, elements with non-uniform paths with resistive components on the surface of the insulating layer 330 should be considered. Materials and thicknesses of elements similar to those discussed in the prior art should be further considered. The open heater 379 provides a release actuator heating method that is open in a similar manner. These elements are electrically insulated by the heating insulator 380. The fixed-beam of the dual thermal release actuator recognizes that the motion of the cantilever arrangement is the result of the forced zone.
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.FIG. 13A is a cross-sectional view of the embodiment of the thermal release actuator relay depicted in FIG. 11, consistent with the elements in FIGS. 11 and 12, and in a neutral state without application of an actuation or latch signal. It should be recognized that the presently discussed embodiment of two actuators operating in opposite directions. In such a configuration, the closed actuator bends the armature contact downward while the closing control signal is applied, while the open actuator is normal while the opening control signal is applied. Bend up the base board.
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. The embodiment of the relay state shown in FIGS. 6 to 10 is the same as the first embodiment of FIGS. 1 to 5. In a manner similar to that of the conventional embodiment, Figure 13B shows a cross-sectional view of the device in a stable first active state, and the mechanical limitations of the device prevent greater armature deflection. Forced by the fixed beam and the bending force of the contact armature, the closed actuator in Fig. 13B rotates downward by the drive control signal. The armatures of FIGS. 12 and 13 that are mechanically connected in an embodiment of the present invention are partially or fully bent downwards to induce the actuator armature to be connected to the load signal armature, where the actuator contact and the base contact meet. Consider bending at the point. It is recognized that the contact of the armature electrode to the latch electrode insulator of the base substrate electrode does not need to be seen.
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. In this configuration, the first latched state is initialized by the application of the latch control signal which causes the latch electrode to be attracted and held together with the electric force. In many devices according to the present invention, this operation maintains contact with and near the flattening of the armature electrode. The embodiment shown in FIG. 13C reflects certain conditions. The first latched state enables the transfer of the drive control signal from the armature. The relay then maintains a first latched state.
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. Considering some devices, the recent transfer of the latch control signal may cause the relay to return to an inactive state due to the internal resilience of the armature. On the other hand, other elements, including the presently discussed embodiment, consider compulsory assistance from the assistance of the restoration of the relay of the open actuator to the inactive state. Fig. 12D illustrates this new stable state, which is the second active state, wherein the drive open signal is applied to the open signal line and control signals other than the latch prevention signal are applied. The thermal polymorph of the open actuator is designed to rotate upward when activated and is shown in FIG. 13D. Although forced to understand the fixed beam conditions of the actuator armature, upward rotation occurs.
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. Various modifications and applications in the present invention will be clearly understood within the scope of the technology, and such changes and applications do not change the technical spirit and scope of the present invention and do not reduce additional advantages.
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Cited By (1)
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KR100785084B1 (en) * | 2006-03-30 | 2007-12-12 | 삼성전자주식회사 | Piezoelectric MEMS Switch and Manufacturing Method Thereof |
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