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문제 정의
- 본 논문에서 제안된 접촉식 스위치의 경우에는 신호 전달 특성과 같은 전기적 특성이 중요한 성능평가 요소이므로 구동부 구조물의 반복 구동에 따른 기계적 특성의 변화와 함께 구동 중에 생기는 점착 현상이나 반복 구동 후 발생하는 접촉부의 접촉 저항 변화 등이 스위치의 수명을 결정한다. 따라서 본 논문에서는 스위치를 반복 구동 시키면서 접촉 저항의 변화를 관찰하고 또한 구동부 구조체의 기계적 특성 변화 및 점착이 일어나는 시점을 판단하여 스위치의 수명을 평가하였다.
- 본 논문에서는 고주파 대역의 무선 통신 송수신 시스템에 적용하기 위한 정전구동형 접촉식 RF MEMS스위치를 표면 미세 가공 기술을 이용하여 구현하였으며 제작된 스위치의 특성을 측정 및 분석하였다.
- 본 논문에서는 구동부의 구조로서 양단 고정보(bridge) 및 외팔보(cantilever) 구조물 그리고 비틀림 스프링(torsional spring)구조를 각각 이용하여 정전력으로 구동되는 RF MEMS 스위치를 설계 및 제작하였으며, 각 스위치의 특성을 비교 분석하였다. 이를 통해 정전력 구동 RF MEMS 스위치의 설계 및 제작에 있어서 중요한 특성을 고찰하였으며 또한 본 논문에서 제안하는 스위치의 최적 구조를 제시하였다.
가설 설정
- 또한 Fig. 8(b)와 같이 입력 전력이 큰 신호에서는 스위치가 ON인 상태에서 구동 전극에 바이어스 전압을 제거하여도 스위치가 OFF 상태로 되돌아오지 않게 된다(holding). 즉, 높은 전력의 신호에서 스위치의 구동 전극에 전압을 인가하지 않아도 저절로 스위치가 ON이 되거나 OFF 상태에서 다시 ON 상태로 돌아오지 않기 때문에 이 이상의 전력 신호를 전송할 수 없다.
제안 방법
- 구동부의 구조체로서는 니켈 도금 구조물을 이용하였으며 희생층 감광막을 제거할 때 발생되는 열에 의한 영향을 줄이기 위해서 구동부 및 접촉부에 20 µm~30 µm 정도의 간격으로 식각 구멍을 형성하여 스위치의 접촉부 및 구동부 그리고 절연막 연결부 아래에서 모두 비슷한 시간에 릴리즈가 되도록 설계하였다.
- 스위치에 전압을 인가하였을 때 정전력에 의해 스위치가 기판에 수직한 방향으로 구동하게 되고 이 변위를 비접촉 레이저 변위계(LC2420, KEYENCE)를 이용하여 측정하였다. 동시에 스위치의 입력 단자에 함수 발생기를 이용하여 교류 신호를 인가하고 출력단자에서 스위치의 응답 특성을 측정하였다.
- 반복 구동시 스위치의 구동 변위를 측정할 수 있는 광학 장치와 함수 발생기 및 오실로스코프 등을 이용하여 제작된 스위치의 반복 구동에 따른 동작 특성을 측정하였다. 스위치에 전압을 인가하였을 때 정전력에 의해 스위치가 기판에 수직한 방향으로 구동하게 되고 이 변위를 비접촉 레이저 변위계(LC2420, KEYENCE)를 이용하여 측정하였다.
- 본 논문에서 제안된 스위치는 직접 접촉식 직렬 스위치(direct contact serial switch)이다. Fig.
- 일반적으로 미세 구조물의 수명은 구조물을 계속해서 구동하면서 발생되는 기계적 특성의 변화를 통해 측정한다. 본 논문에서 제안된 접촉식 스위치의 경우에는 신호 전달 특성과 같은 전기적 특성이 중요한 성능평가 요소이므로 구동부 구조물의 반복 구동에 따른 기계적 특성의 변화와 함께 구동 중에 생기는 점착 현상이나 반복 구동 후 발생하는 접촉부의 접촉 저항 변화 등이 스위치의 수명을 결정한다. 따라서 본 논문에서는 스위치를 반복 구동 시키면서 접촉 저항의 변화를 관찰하고 또한 구동부 구조체의 기계적 특성 변화 및 점착이 일어나는 시점을 판단하여 스위치의 수명을 평가하였다.
- 본 논문에서는 구동부의 구조로서 양단 고정보(bridge) 및 외팔보(cantilever) 구조물 그리고 비틀림 스프링(torsional spring)구조를 각각 이용하여 정전력으로 구동되는 RF MEMS 스위치를 설계 및 제작하였으며, 각 스위치의 특성을 비교 분석하였다. 이를 통해 정전력 구동 RF MEMS 스위치의 설계 및 제작에 있어서 중요한 특성을 고찰하였으며 또한 본 논문에서 제안하는 스위치의 최적 구조를 제시하였다.
- 스위치의 접촉부와 구동부는 전기적으로 완전히 분리되어 있기 때문에 신호 전달 특성과 상관없이 구동 전압 및 복원력 등의 특성을 고려하여 구동부의 재료와 구조를 설계할 수 있다. 본 논문에서는 스위치 구동부의 구조로서 양단 고정보 및 외팔보 구조물 그리고 비틀림 스프링에 의해 구동되는 구조물을 이용하였으며 각 구조에 대한 전기 기계적 특성을 해석하여 설계하였다. Fig.
- 본 연구에서 제안된 스위치는 CPW(coplanar waveguide) 형태의 신호 전송선 위에 구동부와 접촉부를 형성하여 제작된다. CPW 신호 전송선과 스위치 접촉부는 전도성이 우수하고 제작이 용이한 도금된 금 구조물로 이루어져 있으며 기판으로는 표면 유전체 손실을 줄이기 위해 석영 기판을 사용하였다.
- 스위치 접촉부 홀딩 현상이 발생되는 입력 신호의 크기를 측정하기 위해 스위치에 바이어스 전압을 인가하여 스위치를 ON 상태로 만든 후 입력 신호의 전력을 증가시키면서 스위치가 OFF 상태로 되돌아오는 특성을 관찰하였다. 측정 결과 전력이 27 dBm(0.
- 스위치 접촉부의 접촉 저항 값에 따른 삽입 손실을 예측하기 위해 스위치에서 사용된 CPW 전송선 사이에 저항을 넣고 입력과 출력 단자 사이에서 발생되는 삽입 손실을 시뮬레이션하였다. Fig.
- 반복 구동시 스위치의 구동 변위를 측정할 수 있는 광학 장치와 함수 발생기 및 오실로스코프 등을 이용하여 제작된 스위치의 반복 구동에 따른 동작 특성을 측정하였다. 스위치에 전압을 인가하였을 때 정전력에 의해 스위치가 기판에 수직한 방향으로 구동하게 되고 이 변위를 비접촉 레이저 변위계(LC2420, KEYENCE)를 이용하여 측정하였다. 동시에 스위치의 입력 단자에 함수 발생기를 이용하여 교류 신호를 인가하고 출력단자에서 스위치의 응답 특성을 측정하였다.
- 스위치의 RF 특성을 측정한 후, 스위치의 구동 전극 및 입·출력 단자를 금이 도금된 PCB 기판에 와이어 본딩하여 전압을 인가하면서 접촉 저항을 측정하였다.
- 스위치의 전기 기계적 성능 향상을 위해 절연막을 이용하여 접촉부와 구동부를 전기적으로 분리하는 접촉식 스위치의 구조를 설계하였으며 양단 고정보, 외팔보, 및 비틀림 스프링 구조를 이용한 스위치의 제작 결과 및 구동 전압 특성을 비교 분석하였다. 제작된 스위치의 구동 전압을 측정한 결과 구조물의 길이가 길어짐에 따라 그리고 양단 고정보 구조물에 비해 외팔보 구조물이나 비틀림 스프링을 이용한 구조에 있어서 설계 값과 측정 값의 오차는 커진다.
- 10은 스위치가 반복적인 동작을 할 때 스위치의 구동부에 인가된 전압과 스위치의 구동 변위 및 입력에서 출력으로 전달되는 신호 파형을 동시에 보여주고 있는 그림이다. 이와 같은 스위치의 반복 구동 측정은 대기압, 상온 상태에서 수행하였다. 수명 측정을 하는 동안의 반복 구동 주파수는 1 kHz이며 스위치의 입력단에서 출력 단으로 전송되는 신호는 주파수가 1 MHz이고 크기가 1 Vp-p 인 정현파 신호이다.
- 접촉식 스위치의 경우 스위치가 ON 되었을 때 접촉부의 접촉 저항에 의해 삽입 손실이 결정된다. 제작된 스위치에 정전압을 인가하고 인가 전압에 따른 접촉부의 접촉 저항을 측정하였다. 스위치의 RF 특성을 측정한 후, 스위치의 구동 전극 및 입·출력 단자를 금이 도금된 PCB 기판에 와이어 본딩하여 전압을 인가하면서 접촉 저항을 측정하였다.
- 제작된 스위치의 전력 전송 용량을 측정하기 위해서 2 GHz의 주파수 신호에 대해 35 dBm(2.5 W)까지 입력신호의 크기를 증가시키면서 스위치 ON과 OFF 시의 동작 특성을 측정하였다. 구동전압이 12 V인 양단 고정보 구조 스위치에 전압을 인가하지 않은 OFF 상태에서 입력 단 신호의 전력을 증가시키면서 출력단의 신호를 측정한 결과, 30 dBm의 입력 신호 전력에 의해 스위치에 바이어스 전압을 인가하지 않아도 저절로 구동되어(self actuation) ON 상태가 되는 현상이 관찰되었다.
- 제작된 스위치의 특성은 신호 분석기(HP8510C network analyzer)를 이용하여 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 제안된 스위치는 CPW(coplanar waveguide) 형태의 신호 전송선 위에 구동부와 접촉부를 형성하여 제작된다. CPW 신호 전송선과 스위치 접촉부는 전도성이 우수하고 제작이 용이한 도금된 금 구조물로 이루어져 있으며 기판으로는 표면 유전체 손실을 줄이기 위해 석영 기판을 사용하였다. 스위치의 제작공정은 Fig.
- 이 때 스위치의 접촉부와 구동부 사이의 간격은 10 µm 되도록 절연막을 형성한다. 희생층을 제거한 후 초기 변형이 작고 기계적 특성이 우수한 니켈을 스위치의 구동부로서 사용하였다. 마지막으로 희생층으로 사용된 감광제를 플라즈마 애싱을 이용한 등방성 식각 조건으로 제거하여 스위치 구조가 완성되게 된다.
성능/효과
- 5 W)까지 입력신호의 크기를 증가시키면서 스위치 ON과 OFF 시의 동작 특성을 측정하였다. 구동전압이 12 V인 양단 고정보 구조 스위치에 전압을 인가하지 않은 OFF 상태에서 입력 단 신호의 전력을 증가시키면서 출력단의 신호를 측정한 결과, 30 dBm의 입력 신호 전력에 의해 스위치에 바이어스 전압을 인가하지 않아도 저절로 구동되어(self actuation) ON 상태가 되는 현상이 관찰되었다.
- 2 dB 이하이고 신호 분리도는 30 dB 이상으로 측정되었다. 구동전압이 13 V인 양단고정보 구조 스위치의 경우 전력 전송 용량이 0.5 W정도로서, 비슷한 구동전압의 외팔보 구조나 비틀림 스프링 구조의 스위치에 비해 복원력을 크게 할 수 있어 기계적 동작 특성에 의한 전력 전송 용량이 더 크다는 것을 알 수 있었다. 제작된 소자의 수명 은 점착 현상에 의해 결정되었으며 5.
- 7은 CPW 전송선 사이에 넣은 저항값에 따른 삽입 손실을 2, 10, 20 GHz의 주파수 신호에 대해 시뮬레이션한 결과이다. 그림에서와 같이 접촉 저항이 2 Ω일 때 2 GHz의 신호에서 삽입 손실이 약 0.19 dB 정도가 됨을 예측할 수 있고 저항값이 커질수록 삽입 손실이 비례하여 증가하고 있음을 알 수 있다. 측정된 접촉 저항은 저항을 측정하기 위한 연결 선 등의 내부 저항이 포함된 값이므로 Fig.
- 9의 측정 결과에서도 알 수 있듯이 구조물의 폭이 커지면 복원력이 커져서 기계적 특성에 의한 전력 전송 용량이 커짐을 확인할 수 있다. 또한 구조물의 길이가 짧아지면 구동 전압과 복원력이 커져서 전력 전송용량이 증가함을 알 수 있다.
- 측정 결과에서 알 수 있듯이 길이가 짧은 경우 구조물의 변형이 거의 발생하지 않지만 길이가 길어짐에 따라 희생층 제거 후 구조물의 변형이 커지고 있음을 관찰할 수 있다. 또한 양단 고정보 구조물에 비해 외팔보 구조물이나 비틀림 스프링을 이용한 구동부의 변형이 더 크다는 것을 알 수 있다. 비틀림 스프링이나 외팔보 구조의 경우 스프링 상수가 낮아 양단 고정보를 이용한 구조에 비해 저전압으로 스위치를 구동할 수 있는 장점이 있지만 제작 결과에서와 같이 제작 후 초기 변형량이 증가하기 쉽고 따라서 구동전압이 증가하여 설계한 구동전압이 많이 변하게 되는 문제점을 가진다고 할 수 있다.
- 구조물의 길이가 길어질수록 그리고 양단 고정보 구조물보다 외팔보 구조물인 경우에 측정된 스위치의 동작 전압과 계산된 문턱 전압의 차이가 더 커지게 된다. 비틀림 스프링 구조를 이용한 스위치의 경우에도 설계된 5 V의 구동 전압에 비해 측정된 스위치의 동작전압이 12 V로서 구조물의 변형에 의한 오차가 크다는 것을 알 수 있다.
- 스위치를 반복 구동 시키면서 동작 상태를 관찰한 결과 5.4×107 번의 반복 구동 후에 점착이 발생하여 스위치가 더 이상 동작하지 않음을 확인하였다.
- 양단 고정보, 외팔보 및 비틀림 스프링을 구동부 구조로 이용하여 제작한 스위치의 접촉부와 전송선 사이의 간격이 구동부 길이에 따라 변형된 정도를 각각 측정한 결과, 430 µm 길이의 양단 고정보를 이용한 스위치의 경우 약 0.3 µm, 670 µm 길이의 구조인 경우 약 0.3 µm의 변형이 발생하였다.
- 측정 결과에서 알 수 있듯이 스위치의 접촉부가 문턱 전압에서 신호선과 접촉한 후 전압이 증가함에 따라 구동부와 바닥 전극 사이의 정전력이 커지게 되고 따라서 전송선과 접촉부의 접촉저항은 감소한다. 이 스위치의 RF 특성 측정 결과 15 V 이상의 전압을 인가한 경우 삽입 손실이 2 GHz에서 약 0.15 dB 정도로 측정되었다. 측정된 접촉 저항과 삽입 손실을 비교해 보면 저항이 2 Ω~3 Ω 정도가 되었을 때 삽입 손실이 2 GHz에서 0.
- 그러나 5×107 번의 반복 동작 후 측정한 접촉부의 접촉 저항은 약 2 Ω~3 Ω으로 초기 상태와 크게 다르지 않았으며 또한 스위치의 구동 변위나 공진 주파수도 변화가 없이 일정한 것으로 관찰되었다. 이와 같은 결과로부터 본 실험에서 사용된 스위치의 경우 접촉 저항의 변화나 구조물의 메모리 현상 및 피로 파괴가 일어나기 이전에 발생하는 점착 문제가 수명을 결정하는 가장 중요한 요소임을 알 수 있다. 따라서 스위치의 수명을 늘리기 위해서는 접촉부에서 발생되는 점착을 방지하기 위한 기술이 필수적이며 접촉부의 표면 개질이나 제작된 스위치의 패키징을 통하여 구동시 발생하는 점착문제가 개선될 수 있을 것으로 판단된다.
- 4×107번의 반복 구동 수명을 가지는 것으로 측정되었다. 이와 같은 결과를 통해 본 논문에서 제안된 정전 구동형 RF MEMS 스위치의 설계 및 제작 기술을 이용함으로써 초고주파 무선통신시스템 구현을 위한 RF 스위치의 성능 향상 및 적용 가능성을 확인하였다.
- 스위치의 전기 기계적 성능 향상을 위해 절연막을 이용하여 접촉부와 구동부를 전기적으로 분리하는 접촉식 스위치의 구조를 설계하였으며 양단 고정보, 외팔보, 및 비틀림 스프링 구조를 이용한 스위치의 제작 결과 및 구동 전압 특성을 비교 분석하였다. 제작된 스위치의 구동 전압을 측정한 결과 구조물의 길이가 길어짐에 따라 그리고 양단 고정보 구조물에 비해 외팔보 구조물이나 비틀림 스프링을 이용한 구조에 있어서 설계 값과 측정 값의 오차는 커진다. 제작된 스위치의 신호 전달 특성을 측정한 결과 20 GHz까지의 주파수 신호에서 삽입 손실이 0.
- 제작된 스위치의 구동 전압을 측정한 결과 구조물의 길이가 길어짐에 따라 그리고 양단 고정보 구조물에 비해 외팔보 구조물이나 비틀림 스프링을 이용한 구조에 있어서 설계 값과 측정 값의 오차는 커진다. 제작된 스위치의 신호 전달 특성을 측정한 결과 20 GHz까지의 주파수 신호에서 삽입 손실이 0.2 dB 이하이고 신호 분리도는 30 dB 이상으로 측정되었다. 구동전압이 13 V인 양단고정보 구조 스위치의 경우 전력 전송 용량이 0.
- 13 dB 정도임을 알 수 있다. 주파수가 증가함에 따라 도체 손실 및 절연체 손실 증가에 따라 삽입 손실이 증가하고 capacitive coupling 증가에 따라 분리도는 감소하지만 측정된 스위치는 20 GHz에서도 삽입 손실과 분리도가 각각 0.2 dB와 30 dB 정도로 좋은 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 이 상태에서 입력되는 신호의 전력을 낮추면 다시 스위치가 OFF 상태로 되돌아오게 된다. 즉, 27 dBm 이상의 입력 신호에서는 입력 신호에 의한 힘이 구조물의 복원력보다 더 커서 스위치가 OFF 상태로 되돌아오지 않는 상태임을 알 수 있다. 따라서 이 스위치의 경우 기계적 특성에 의한 최대 전력 전송 용량은 27 dBm 이라고 할 수 있다.
- 즉, 구조물과 바닥 전극 사이의 설계 간격이 1.5 µm 정도로서 매우 작고 이에 비해 길이가 길어짐에 따라 구조물의 변형이 상대적으로 커짐으로써 설계한 스위치의 구동 전압과 측정 전압과의 차이가 커지게 됨을 알 수 있다.
- 스위치의 기계적 동작 특성에 의한 전력 전송 용량과 더불어 높은 전력의 신호를 전송할 때 발생할 수 있는 스위치 접촉부 용접(welding) 현상 등에 의해 기계적 스위치의 전력 전송 용량이 결정된다고 할 수 있다. 측정 결과 본 논문에서 제안한 스위치의 경우 0.8 W~1 W 사이의 입력 신호에서 10분간 신호 전송시 접촉부 용접 현상이 관찰됨을 알 수 있었다.
- 스위치 접촉부 홀딩 현상이 발생되는 입력 신호의 크기를 측정하기 위해 스위치에 바이어스 전압을 인가하여 스위치를 ON 상태로 만든 후 입력 신호의 전력을 증가시키면서 스위치가 OFF 상태로 되돌아오는 특성을 관찰하였다. 측정 결과 전력이 27 dBm(0.5 W)이상의 신호에서는 스위치의 구동 전극에 바이어스 전압을 제거하여도 스위치가 OFF 상태로 되돌아오지 않는다. 이 상태에서 입력되는 신호의 전력을 낮추면 다시 스위치가 OFF 상태로 되돌아오게 된다.
- 접촉부와 전송선 사이의 설계 간격은 1 µm이며 구조물의 변형은 희생층이 제거된 후 위쪽 방향으로 휘게 되므로 실제 제작된 스위치의 경우 설계값보다 커지게 된다. 측정 결과에서 알 수 있듯이 길이가 짧은 경우 구조물의 변형이 거의 발생하지 않지만 길이가 길어짐에 따라 희생층 제거 후 구조물의 변형이 커지고 있음을 관찰할 수 있다. 또한 양단 고정보 구조물에 비해 외팔보 구조물이나 비틀림 스프링을 이용한 구동부의 변형이 더 크다는 것을 알 수 있다.
- 접촉된 스위치에 다시 인가 전압을 떨어뜨리면 6 V에서 접촉부가 신호선으로부터 떨어짐을 관찰할 수 있다. 측정 결과에서 알 수 있듯이 스위치의 접촉부가 문턱 전압에서 신호선과 접촉한 후 전압이 증가함에 따라 구동부와 바닥 전극 사이의 정전력이 커지게 되고 따라서 전송선과 접촉부의 접촉저항은 감소한다. 이 스위치의 RF 특성 측정 결과 15 V 이상의 전압을 인가한 경우 삽입 손실이 2 GHz에서 약 0.
- 그러나 접촉이 되는 순간의 접촉 저항은 약 5 Ω으로서 이 값은 인가 전압을 계속해서 증가시킴에 따라 감소한다. 측정결과 인가 전압이 15 V 이상이 되면 접촉 저항이 약 2.5 Ω 정도로 감소하였다. 접촉된 스위치에 다시 인가 전압을 떨어뜨리면 6 V에서 접촉부가 신호선으로부터 떨어짐을 관찰할 수 있다.
- 9는 스위치 구동부의 구조에 따라 기계적 특성에 의한 전력 전송 용량을 측정한 결과이다. 측정결과에서 알 수 있듯이 구동전압이 13 V 정도로 비슷할 때 외팔보 구조물이나 비틀림 스프링을 이용한 구조에 비해 양단 고정보 구조물을 이용한 스위치가 전력 전송 용량이 크다. 이는 양단 고정보 구조물의 경우 외팔보 구조물이나 비틀림 스프링을 이용한 구조에 비해 같은 구동 전압 조건에서 구조물의 기계적 복원력이 더 크기 때문인 것으로 해석된다.
- 15 dB 정도로 측정되었다. 측정된 접촉 저항과 삽입 손실을 비교해 보면 저항이 2 Ω~3 Ω 정도가 되었을 때 삽입 손실이 2 GHz에서 0.2 dB 정도가 됨을 알 수 있다.
후속연구
- MEMS기술을 이용한 초고주파 응용 RF MEMS 스위치는 이러한 단점을 개선할 수 있는 소자로서 활발히 연구가 진행되고 있다. RF MEMS 스위치의 성능 향상과 집적화를 위해 마이크로 구조물의 설계 및 제작과 같은 마이크로머시닝 기술과 고주파 무선 송수신 시스템 소자설계 기술의 결합이 필수적이며 이를 통하여 수십 GHz 이상에 이르는 주파수 대역에서의 통신을 가능하게 할 수 있을 것으로 판단된다.
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