In this thesis, a new method to greatly reduce and control the pull-in voltage of an electrostatic actuator has been introduced, simply by introducing a pre-charged floating electrode.
Since the first Microelectromechanical System(MEMS) actuator was proposed, the MEMS actuators have been broadly utilized in various applications : RF, display, memory, sensor, and so on. Specially, due to their simple actuation mechanism and low power consumption, the electrostatic actuators are fascinatedly used. However, there is the most obstacle to the commercialization : trade-off of pull-in voltage and resonant frequency (actuating speed). For low pull-in voltage by decrease the spring constant, the resonant frequency goes to low. In the other words, for high actuating speed, the pull-in voltage goes to high. Destruction of the trade-off of the pull-in voltage and the resonant frequency is one of the most important issues in MEMS research area.
In this works, the innovative way to maneuver the pull-in voltage of electrostatic actuators without decline of the resonant frequency had been proposed and tried to solve the fore-mentioned problems. First, the modeling of the proposed actuation for standard structures, parallel plate and cantilever had been provided. Second, the proper fabrication process for the new structure had been suggested and performed. Third, the design and settings for measurements of pull-in voltage shift, retention time, resonant frequency, and memory effect had been offered. Finally, it was successfully showed that the original pull-in voltage of 48V and resonant frequency was reduced to 3V and 63.5%. Also, the retention time of pre-charges was 105 seconds verified by the measurement of pull-in voltage shift as times goes by. In stressed condition (40V applied) for 2$\times10^5$ seconds, there was no degradation of the pull-in voltage.
본 논문에서는 선충전 전극을 도입하여 간단하게 정전기력 마이크로 스위치(electrostatic micro-switch)를 조절할 수 있는 방법을 새롭게 제안하고, 소자를 제작하여 가능성을 확인하였다. MEMS(Microelectromechanical System) 분야의 핵심 구성 요소 중 하나인 마이크로 엑츄에이터는 일반적으로 열, 압전기력, 정전기력, 및 정자기력를 기반으로 구동한다. 이 중에서 정전기력이 간단한 구동구조, 낮은 전력소모 등의 여러 장점 때문에 마이크로 엑츄에이터의 구동방식으로 널리 쓰이고 있다. 특히 정전구동 마이크로 스위치는 구동에 있어서 오프 상태의 높은 분리와 온 상태의 낮은 저항, 그리고 낮은 파워소모로 인해 RF 분야에서 활발히 연구 및 응용되고 있다.
하지만, 마이크로 정전구동스위치는 상대적으로 높은 풀인전압(Vpi, 유동 전극(Top plate)이 바닥 전극(Bottom plate)에 닿기 위해 필요한 전압)으로 인해 상업화가 어려움에 따라 구동전압을 낮추기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 현재 제안된 방법으로는 스위치의 탄성계수를 낮추는 방법, 유동전극과 바닥전극의 오버랩 면적을 극대화 시키는 방법, 그리고 전압을 증폭하기 위한 칩을 추가하는 방법들이 있다. 위 방법들을 사용하면, 풀인 전압을 낮출 수는 있겠지만, 기계적으로 취약해지고, 소자의 면적이 매우 넓어지며, 별도의 칩을 위한 면적과 파워소모가 필요한 극복하기 힘든 단점들이 존재하는 실정이다.
본 논문에서는 정전구동 마이크로 스위치의 풀인전압을 간단하게 선충전 전극을 도입함으로써 획기적으로 낮추거나 조절할 수 있는 방법을 제안하고, 검증하였다. 우선 제안된 구동방법 및 구동소자의 개념을 자세히 소개하고, 제안된 구동기의 동작을 예측하기 위한 모델을 제시하고, 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 또한, 제안된 구동기를 제작하기 위한 공정 방법 및 과정을 설계하고, 진행하였다.
제작된 선충전 정전구동기를 가지고, 스위치로써의 기본적인 동작평가를 하고, 본래 50.1V의 구동전압이 50V 선충전함으로써 6.9V까지 감소함을 확인하였다. 그리고 40V선충전시 본래의 공진주파수의 63.5%까지 공진주파수가 감소함을 확인하였다. 선충전된 전하의 보존시간을 MOSFET의 게이트 전극에 전하를 충전함으로써 살펴보았는데, 105sec까지 진공 및 질소 분위기에서 누수가 없음을 확인하였다. 또한, 40V의 선충전 전압으로 스트레스를 인가한 상황에서도 2$\times10^5$ sec동안 소자의 특별한 성능저하가 없음을 확인하였다.
