New electromagnetically actuated MEMS switches for optical and RF communication systems have been proposed to obtain mechanically robust structures and increase performances using large actuation forces.
First, a new three-axis actuated micromirror for optical switch has been proposed and fabricated. This fabricated micromirror operates electromagnetically using an external magnetic field. The maximum actuation angle of three-axis actuated micromirror has been measured as ±4.2˚ for x-axis actuation, ±9.2˚ for y-axis actuation and ±42㎛ for z-axis actuation, respectively with an actuation voltage below 3V. The measured ROC of the fabricated micromirror is 7.72cm and the surface roughness of the surface of micromirror is 1.29 nm. The third z-axis actuation of the fabricated micromirror reduces the difficulty of assembly and increases the coupling efficiency of the micromirror based optical systems with large degree of freedom.
Next, low voltage and low power series type and shunt type RF MEMS switches actuated by ingenious combination of electromagnetic and electrostatic forces are proposed and fabricated. From large electromagnetic force, the proposed RF MEMS switch can allow a large initial gap between the actuator and signal lines, resulting in good isolation at off state of the series type switch and least coupling of signal to the ground line of the shunt type switch. In addition to that, large actuation force can provide a mechanically robust structure to guarantee reliable operation. The fabricated switches have been performed mechanical and RF measurements. The actuation voltage is below 3V and holding voltage is below 4V. The required energy for actuation is 40.3μJ for series type switch and 87.9μJ for shunt type switch per switching, respectively. Also, the fabricated switches can be operated within several hundreds microsecond. In series type switch, the isolation is -34dB and insertion loss is -0.37dB at 20GHz. In shunt type switch, the isolation is -20.7 dB and insertion loss is -0.85dB at 19.5GHz.
Finally, a new low voltage and low power MEMS SPDT switch using single RF MEMS switch has been proposed and fabricated. The proposed MEMS SPDT switch simplified the implementation and reduces the required area and the degradation due to mismatch of the switches by using single switch which is actuated by ingenious combination of electromagnetic and electrostatic forces. The fabricated switch operates below 4.3V and consumes 15.4μJ. Isolation is measured as -54dB at 2GHz and -36dB at 20GHz. The insertion loss is measured as -1.23dB at 6GHz and -0.52dB at 20GHz, respectively. The fabricated switch shows mechanically robust and stable after 166 million cycles of actuation.
We believe that this optical and RF switches have successfully demonstrated an intriguing implementation of a new electromagnetically actuated switch mechanism from a concept to actuation fabrication and measurement. The mechanically robust structures can guarantee stable operation and extend life time of the fabricated switches and can eliminate the obstacle of commercialization of MEMS switches. In addition to that, low actuation voltage will make it easy to be integrated with other components and extends its possibility to CMOS integration as a viable SoC solution for future wireless communication products.
본 연구에서는 전자기력을 이용하여 구동하는 광 스위치용 미소거울과 초고주파용 미소기전 스위치를 제안하고 제작하였다. 제안된 스위치는 큰 전자기력을 바탕으로 성능을 향상시킬 수 있으며, 기계적으로 강한 구조체를 얻을 수 있다.
우선, 세 축으로 구동이 가능한 광 스위치용 미소거울을 제안하고, 모의실험 결과를 토대로 제작하였다. 제작된 미소거울은 3V이하의 낮은 구동전압에서 각각 X축을 중심으로 4.2도, Y축을 중심으로 9.2도 회전구동이 가능하였으며, Z축으로는 ±42 ㎛ 구동이 가능하였다. 또한, 제작된 미소거울은 대용량 광 스위치에 사용할 수 있는 플랫한 구조를 보였으며, 거울면의 거칠기 또한 1.29nm로 높은 반사도를 보임을 알 수 있었다. 제작된 미소거울은 Z구동을 이용하여 거울의 자유도를 높여 광소자간의 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 구동 전압과 큰 회전각도를 바탕으로 광 스위치의 성능을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
다음으로, 전자기력과 정전기력의 조합하여 구동하는 초고주파용 미소 기전 스위치를 제안하고 제작하였으며, 기계적인 특성과 초고주파 특성을 측정하였다. 제안된 스위치는 구동시에는 큰 힘인 전자기력을 이용하고, 구동 후에는 정전기력을 이용하여 스위칭 상태를 유지하기 때문에 저전압, 저전력 구동이 가능하다. 또한, 큰 전자기력을 이용하여 스위치의 초기 높이를 크게 할 수 있기 때문에, 스위칭 성능을 향상시킬 수 있었으며, 기계적으로 강한 구조를 얻을 수 있었다. 구동전압은 4V이하였으며, 소모된 에너지는 스위칭당 88 μJ 이하로 저전압과 저전력 구동을 동시에 얻을 수 있었다. 고주파 특성은 series 방식의 경우에는 20GHz에서 -0.37dB의 삽입손실과 -34dB의 절연특성을 보였으며, shunt 방식의 경우에는 19.5GHz에서 -0.85dB의 삽입손실과 -20.7dB의 절연특성을 보여주었다.
마지막으로, 토션 (torsion) 방식으로 구동하는 단일 스위치를 사용하여 SPDT 스위치를 제안하고, 제작하였다. 단일 스위치를 사용하기 때문에, 면적을 줄일 수가 있으며 스위치들간의 불일치(mismatch)를 줄여 성능을 향상시킬 수 있었다. 제작된 스위치는 저전압, 저전력 동작이 가능했으며, 20GHz에서 -0.52dB의 삽입손실과 -36dB의 절연 특성을 보여주었다. 또한, 제작된 스위치는 166만번 이상의 동작 테스트 결과 기계적인 성능저하 없이 동작하였고, 기계적으로 강한 구조를 가지고 있음을 보여주었다.
본 연구에서 전자기력을 이용하여 구동하는 광 스위치용 미소거울과 초고주파용 미소기전 스위치의 개념을 제안하고 제작하였으며, 특성을 측정하였다. 기계적으로 강한 구조체를 가지는 스위치들은 큰 내구성을 가질 수 있을 뿐만 아니라 높은 성능과 낮은 구동 전압으로 외부 구동회로나 시스템과의 집적이 용이하기 때문에, 다양한 광시스템과 무선 통신 시스템에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
