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    • 专利摘要:
    Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergrößern eines Hubs eines piezoelektrischen Sensors und einen MEMS-Schhalter, welcher den vergrößerten Hub eines piezoelektrischen Sensors nutzt. Der MEMS-Schalter umfasst ein Vergrößerungsmittel, welches die Hebeltheorie nützt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein MEMS-Schalter zur Verfügung gestellt, welcher in der Lage ist, eine relativ geringe Spannung von weniger als 5 V zu nutzen, die Leistungsaufnahme, Isolation und Einfügedämpfung zu verringern, und die für einen weiten Bereich von drahtloser Kommunikation, wie PCs, wireless LAN etc., verwendet werden kann.
    公开号:DE102004013218A1
    申请号:DE102004013218
    申请日:2004-03-17
    公开日:2004-10-21
    发明作者:Doo Sun Choi；Kyung Hyun Hwang；Tae Jin Jae；Taik Min Lee
    申请人:Korea Institute of Machinery and Materials KIMM；
    IPC主号:B81B3-00
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft einen MEMS-Schalter, welcher einenpiezoelektrischen Sensor nützt,und insbesondere ein Verfahren zum Vergrößern eines Hubs eines piezoelektrischenSensors und einen MEMS-Schalter, welcher den erhöhten Hub eines piezoelektrischenSensors nutzt.
    [0002] Herkömmlicherweisekann ein mikroelektromechanischer System-(MEMS) Schalter durch den genutztenAktuator nach vier Typen klassifiziert werden: einen dynamoelektrostatischenTyp, einen thermalen Ausdehnungstyp, einen dynamoelektromagnetischenTyp und einen piezoelektrischen Typ, und durch die Schaltungsrichtungin zwei Typen: einen vertikalen Kontakt- und einen lateralen Kontakttyp.
    [0003] Erstensnutzt der dynamoelektrostatische Typ der MEMS-Schalter einen Elektrodentypmit gekrümmterOberflächeoder einen kammgetriebenen Typ, welche heutzutage hauptsächlich entwickelt werden.Dieser Typ von MEMS-Schalter nütztdas Prinzip, dass zwei Elektroden kontaktiert werden, wenn verschiedeneSpannungspolaritätenan die zwei Elektroden angelegt werden, von denen eine eine stationäre Elektrodeund die andere eine bewegliche Elektrode ist, die von der stationären Elektrode wegbeabstandet ist. Im Allgemeinen ist die Herstellung dieses Schaltertypsin dem Prozess nicht schwierig; jedoch ist zu sätzlich die Verwendung einesChips notwendig, um die Spannung zu erhöhen, um die gegenwärtige RF-Vorrichtunganzupassen, aufgrund der Anforderung von mindestens mehreren 10Volt, wodurch sich die Herstellungskosten erhöhen. Die Bewegungsgeschwindigkeitdes Schalters liegt im Bereich von 1 bis 200 Sekunden in Abhängigkeitvon seinem Aufbau.
    [0004] Zweitensnutzt der dynamoelektromagnetische Typ der MEMS-Schalter die Theorie eines Elektromagneten,welcher ein Magnetfeld durch eine Ringstruktur bildet. Während dieserSchaltertyp mit relativ geringen Spannungen von ungefähr 5 Voltbetrieben werden kann, wenn die Struktur des Schalters komplex undgroß wird,erreicht sein Leistungsverbrauch eine Zahl von Hunderten von mW.
    [0005] Derthermale Ausdehnungstyp des MEMS-Schalters nützt die Theorie, dass sichdas Volumen eines festen oder flüssigenMaterials ausdehnt, wenn seine Temperatur steigt. Während eine relativgeringe Spannung von ungefähr5 Volt ebenfalls diesen Typ von Schalter betreiben kann, ist dieserSchalter sehr empfindlich auf die Umgebungstemperatur, seine Leistungsaufnahmekommt in den Bereich einer Zahl von Hunderten von mW, und folglichist seine Bewegungsgeschwindigkeit zu langsam, so dass sie mehrereZehn Millisekunden wird.
    [0006] Derpiezoelektrische Typ der MEMS-Schalter nützt die Theorie von piezoelektrischenMaterialien, deren Volumen sich ausdehnt, wenn eine Spannung angelegtist. Währenddieser Schaltertyp die prompteste Bewegungsgeschwindigkeit (100nsec bis 1 sec) unter den bisher genannten Verfahren hat, die größte Leistungdurchschalten, wenn er eingeschaltet ist, und obwohl er mit einerrelativ geringen Spannung angetrieben werden kann, kann die Dehnungmaximal 0,1 % der Längeder Materialien aufweisen, deshalb hat die Benutzung des MEMS-Schaltersden Nachteil, dass seine Bewegungslänge nicht größer alsmehrere Zehn oder Hundert Nanometer ist.
    [0007] Indiesem Zusammenhang beinhaltet das Anheben der BetriebsspannungProbleme bei der Anpassung einer tragbaren optischen Kommunikationsvorrichtungoder persönlicherKommunikationsdienste oder dem Bedarf von zusätzlichen Kosten aufgrund derBenutzung der spannungsanhebenden Vorrichtung.
    [0008] Einhoher Pegel des Leistungsverbrauchs bedeutet eine Reduzierung derArbeitsdauer pro einmal Laden der tragbaren Vorrichtungen, wie PCs, Laptops,etc.. Je mehr die Geschwindigkeit der Datenkommunikation beschleunigtwird, desto größer wirdder Bedarf nach der Komponente mit einer hohen Bewegungsgeschwindigkeit.Ferner sind bei RF-Anwendungen, wie PCs, Laptop, WLAN etc., für welchevielfältigeForschungen zum Integrieren aller Komponenten in einem Chip geleistetwerden, die Fachleute interessiert an MEMS-Komponenten, welche einerelativ kleine Flächeaufweisen.
    [0009] MEMSist eine Technologie eines Kombinierens eines Computers und einersehr kleinen mechanischen Vorrichtung, wie eines Sensors, einesVentils, eines Getriebes, eines Reflexionsspiegels und eines Antriebs,etc., welche in dem Halbleiterchip eingebaut sind, sie wird benutztals Vibrationsbeschleuniger in einem Airbag für Automobile, und eine MEMS-Vorrichtungenthälteinen Mikroschaltkreis auf einem sehr kleinen Siliziumchip, welcherals Teil mechanischer Vorrichtungen hergestellt wurde.
    [0010] BeispielhafteAnwendungen von MEMS umfassen einen GPS-Sensor zum Verfolgen vonExpress-Paketdiensten und zum Erfassen eines zwischenzeitlichenPaketbehandlungsprozesses; einen Sensor, der auf den Flügeln einesFlugzeugs angebracht ist, welche mit einer Anzahl kleiner Hilfsquerruderzum Nachweisen und Reagie ren auf einen Luftfluss in Abhängigkeitvon Variationen des Oberflächenwiderstandesder Flügeleines Flugzeuges ausgestattet ist; optische Austauschvorrichtungen,welche zum Austauschen optischer Signale zu einem individuellenDurchgangsweg mit einer Geschwindigkeit von 20 ns in der Lage sind.
    [0011] Wiezuvor beschrieben, währendder piezoelektrischen Typ der MEMS-Schalter in der Lage ist, beinahedie zuvor erwähntenProbleme zu lösen,da er es ermöglicht,den Spannungs- und Leistungsverbrauch zu senken und die Hubgeschwindigkeitzu erhöhen,da eine Hublängeeiner Spannung unterhalb von 5 Volt zu klein ist, ist es unmöglich, dasvariable optische Gerät,wie einen optischen Schalter, RF-Schalter, Filter, etc., anzuwenden.
    [0012] Schließlich stelltdie vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Vergrößern derHublängedes piezoelektrischen Materials bereit, während sein Hubmechanismus,der ein piezoelektrisches Material benutzt, wie bisher benutzt wird.
    [0013] Dievorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Vergrößern einerHublängevon den piezoelektrischen Materialien zur Verfügung, um den zuvor erwähnten Vorteildes piezoelektrischen Materials bestmöglich zu nutzen und den Nachteilder Hublängezu lösen.
    [0014] Esist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Vergrößern einerHublänge einespiezoelektrischen Materials und einen MEMS-Schalter bereitzustellen,welcher die vergrößerte Hublänge despiezoelektrischen Materials mittels Vergrößern des Nanopegels einer Hublänge auf mindestensdas Zehnfache nutzt, welche in einer Schaltvorrichtung benutzt wird.
    [0015] Esist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen MEMS-Schalterbereitzustellen, welcher Mittel zum Vergrößern einer Hublänge des piezoelektrischenMaterials benutzt, wobei die Elektrode ein lateraler Kontakttypist, da eine Schaltoperation des piezoelektrischen Materials einenrelativ hohen Schaltungsdruck und Steifheit in der lateralen Richtungverglichen mit der vertikalen Richtung hat.
    [0016] EineKerntechnologie der vorliegenden Erfindung ist eine Technik zumVergrößern desHubs des piezoelektrischen Materials unter Verwendung der Hebeltheorie,wenn es das piezoelektrische Material mit einer Potenzialdifferenz,welche an einen Aktuator angelegt ist, antreibt, und wobei die Steifigkeitund der Schaltdruck des Schalters durch Verwendung des lateralenKontakttyps erhöhtwerden.
    [0017] In Übereinstimmungmit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Hublänge despiezoelektrischen Materials um das Zahnfache zu vergrößern, umdie Benutzung als Schaltungsmittel und die Ersetzung eines linearenMEMS-Schalters füreine nicht-lineare Halbleitervorrichtung, wie eine Pindiode oder MOSFET,zu ermöglichen,wodurch die Anzahl der benutzten Filter für lineare Charakteristikenverringert wird, und die Eigenschaften der Isolation und der Einfügedämpfung gefördert werden.
    [0018] Wiezuvor beschrieben, ist der Schalter, welcher von einem wirelessLAN, etc., in Überstimmung mitder vorliegenden Erfindung verwendet wird eine nicht-lineare Halbleitervorrichtung,wie eine Pindiode oder ein MOSFET.
    [0019] Fallsein linearer MEMS-Schalter sie ersetzen könnte, ist sie in der Lage,die benutzte Anzahl von Filtern und den Leistungsverbrauch zu reduzierenund die Eigenschaften der Isolation und der Einfügedämpfung zu verbessern.
    [0020] Wiezuvor beschrieben, kann der MEMS-Schalter durch den verwendetenAktuator nach vier Typen klassifiziert werden: einen dynamoelektrostatischen,einen thermalen Ausdehnungs-, einen dynamoelektromagnetischen undeinen piezoelektrischen Typ, und durch die Schaltungsrichtung nachzwei Typen: Vertikal-Kontakt-und Lateral-Kontakt-Typen. (Referenz: Lee, Hoyoung, RFMEMS Switch,Korean Electronics Technology Institute, Electronic InformationCenter, 2002, /G. M. Rebeiz und J-B. Muldavin, RF MFA4S switchesand switch circuits, IEEE Microwave magazine, S. 59-71, Dez. 2001./Elliott R. Brown, RF-MEMS Switches for reconfigurable integratedcircuits, IEEE Trans. on Microwave theory and tech, v. 46, n. 11,Nov. 1998).
    [0021] Herkömmlicherweiseist bei der Klassifizierung gemäß einemSchaltverfahren der gegenwärtig amhäufigstenverwendete MEMS-Schalterder Vertikal-Kontakt-Typ, da die Herstellung einer lateralen Elektrodefür denlateralen Kontakt des Schalters in dem gegenwärtigen Halbleiterverfahrenschwierig ist.
    [0022] Dievorliegende Erfindung nutzte den Lateralen-Kontakt-Typ-Schalter, da dieHerstellungstechnik fürdie laterale Elektrode immer mehr entwickelt wird. Der Grund für die Verwendungder lateralen Elektrode ist, dass sie einen hohen Schaltdruck undSteifheit hat, mehr als die vertikale Elektrode (Referenz: EzekielJ. J. Kruglick, Kristofer S. J. Pister, Lateral MEMS microcontactconsiderations, J. of MEMS, v.8, n.3, September 1999./ Ignaz Schieleund Bernd Hillerich, Comparison of lateral and vertical switchesfor application as microrelays J. Micromech. Microeng. S. 146-150,1999.)
    [0023] Dieseund andere Eigenschaften, Aspekte und Vorteile der bevorzugten Ausführungsformender vorliegenden Erfindung werden vollständiger in der folgenden detailliertenBeschreibung unter Verwendung der beiliegenden Zeichnung beschrieben.In der Zeichnung zeigt:
    [0024] 1 eine planare Darstellung,welche ein Mittel zum Vergrößern derHublängeeines piezoelektrischen Sensors der vorliegenden Erfindung zeigt.
    [0025] Nachfolgendwerden die Details eines Verfahrens zum Vergrößern des Hubs eines piezoelektrischenSensors und eines MEMS-Schalters davon in Verbindung mit der beiliegendenZeichnung beschrieben.
    [0026] Wiein 1 gezeigt, ist derMEMS-Schalter der vorliegenden Erfindung mit einem piezoelektrischenSensor 10 mit einer ersten Elektrode P an seinem einenEnde, einem Aktuator 11, der an seinem einen Ende mit dempiezoelektrischen Sensor 10 verbunden ist, und einem Mittel 12 zumVergrößern des Hubsdes piezoelektrischen Sensors 10 ausgestattet, wobei einezweite Elektrode P der ersten Elektrode an ihrem einen Ende gegenüberliegt,welche mit dem anderen Ende des Aktuators 11 verbundenist und elastisch mit dem anderen Ende des Sensors 10 an seinemanderen Ende angebracht ist.
    [0027] EinVerfahren zum Vergrößern einesHubs des piezoelektrischen Sensors 10 umfasst die Schritte: erstensVerkleinern des piezoelektrischen Sensors 10 durch Anlegeneiner Potenzialdifferenz, zweitens Vergrößern des Hubs des Sensors durch dasVergrößerungsmittel 12, drittensSchalten des lateralen Kontaktschalters durch Kontaktieren der ElektrodeP durch Anbringen der Schaltungselektrode an eine laterale Seitedes piezoelektrischen Materials.
    [0028] Dieoben genannten Schritte des Verfahrens der vorliegenden Erfindungwerden nachfolgend besonders beschrieben.
    [0029] Erstensnutzt der Schritt des Verkleinerns des piezoelektrischen Sensors 10 dasPhänomen, dassdas piezoelektrische Material sich zusammenzieht, wenn die Potenzialdifferenzan das piezoelektrische Material über den Aktuator 11 angelegtwird. In dem Fall von herkömmlichenpiezoelektrischen Materialien, welche eine maximale Dehnungsratevon ungefähr0,1 % haben, hat ein piezoelektrisches Material von 100 μm Länge eineDehnungsverschiebung von 0,1 nm.
    [0030] Deshalbwird die Dehnungsverschiebung von piezoelektrischen Materialienzur Grundlage der Antriebskraft, und es ist notwendig, dass dieobere Dehnungsverschiebung auf ein ausreichendes Niveau vergrößert wird.
    [0031] Zweitensist in dem Vergrößerungsschrittdie Dehnungsverschiebung durch das Hubvergrößerungsmittel 12,welches mit einem Hebel ausgestattet ist, vergrößert. Da die Verschiebung zuklein ist, um in einer variablen optischen Vorrichtung, wie einemoptischen Filter, einem optischen Schalter, etc. verwendet zu werden,und die Verwendung von relativ großen piezoelektrischen Sensorenfür einegroße Verschiebungin der Aufgabe des Vorteils des MEMS-Schalters resultiert, wirddie Vergrößerung derVerschiebung in einer kleinen Struktur benötigt. Deshalb stellt die vorliegendeErfindung das Hubvergrößerungsmittelzur Verfügung,welches in der Lage ist, eine mindestens zehnfache Hubvergrößerung durchVerwendung der Hebeltheorie bereitzustellen.
    [0032] Drittenswird in dem Schaltungsschritt, wenn die elektrische Ladung an denpiezoelektrischen Sensor 10 über den Aktuator 11 angelegtwird, der Schalter "An", wenn die lateralenElektroden P in Kontakt miteinander sind. Wenn die elektrische Ladungvon dem piezoelektrischen Sensor 10 entfernt ist, wirdder laterale Kontaktteil durch eine elastische Wiederherstellungskraftdes Hebels getrennt, wodurch der Schalter "Aus" wird.
    [0033] Wiezuvor beschrieben, stellt die Erfindung einen MEMS-Schalter bereit,welcher in der Lage ist, eine relativ geringe Spannung von wenigerals 5 V zu nutzen, wodurch der Leistungsverbrauch gesenkt wird,wobei ein MEMS-Schalter verwendet wird, welcher eine exzellentelineare Charakteristik aufweist, wobei ein Schalter mit einer geringenIsolation und Einfügedämpfung verwendetwird, und welcher in einem weitem Bereich drahtloser Kommunikation,wie PCs, wireless LAN, etc. verwendbar ist.
    [0034] Obwohlnur eine besondere Ausführungsformder vorliegenden Erfindung oben beschrieben wurde, wird ein FachmannvielfältigeModifikationen innerhalb des Anwendungsbereiches der beigefügten Patentansprüche durchführen können.
    权利要求:
    Claims (4)
    [1] Verfahren zum Vergrößern eines Hubs von einem piezoelektrischenSensor, welches die Schritte aufweist: Schrumpfen des piezoelektrischenSensors durch Anlegen einer Potenzialdifferenz; Vergrößern einesHubs des Sensors durch ein Vergrößerungsmittel;und Schalten eines Kontaktschalters durch Kontaktieren einerElektrode des Vergrößerungsmittels.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vergrößerungsmittelmit einer lateralen Elektrode an seinem näheren Ende ausgestattet ist.
    [3] MEMS-Schalter, umfassend: einen piezoelektrischenSensor, welcher eine erste Elektrode an seinem einen Ende hat; einenAktuator verbunden mit dem piezoelektrischen Sensor an seinem einenEnde; und Mittel zum Vergrößern einesHubs des piezoelektrischen Sensors, welcher eine zweite Elektrodegegenüberder ersten Elektrode an seinem einen Ende hat, welche mit einemanderen Ende des Aktuators verbunden ist und elastisch mit einemanderen Ende des Sensors an seinem anderen Ende angebracht ist.
    [4] MEMS-Schalter nach Anspruch 3, wobei das Vergrößerungsmittelmit einer lateralen Elektrode an seinem näheren Ende ausgestattet ist.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-11-24| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2009-01-22| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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