Electro-magnetic relays (EMR's) and Solid-state relays (SSR's) have been widely used in various applications and kept up their market share separately according to strength and weakness of both. In the meantime, the emergence and growth of MEMS technology could generate the new switching device, micromechanical relay. This MEMS switch has been actively studied because it is able to not only combine fine attributes but also overcome the disadvantages of both EMR's and SSR's. In spite of these many merits, high power handling and reliability issues are most critical bottlenecks in MEMS relays. Most of these essential issues are closely related to the metal-to-metal contact (friction, wear, contamination, welding, etc) and it is currently the subject of intensive research efforts. So, in order to achieve both reliable performance and high current carrying capacity, low contact resistance is needed to reduce joule heating as a fundamental approach because low contact resistance should mitigate the switching failure mechanism, both contact resistance degradation and stiction by generating less heat originally. Additionally, it is more preferred feature in power applications from the viewpoint of power efficiency.
In general, it is known that contact force and hardness of contact material are the key parameters in determining the contact resistance. In this research, new method using window frame shaped drain electrode (for high contact force) and soft dielectric layer under the contact material (for low hardness) is proposed to achieve low contact resistance. First, conventional cantilever switches are actuated by gate electrode somewhat apart from the drain electrode, but this smart drain structure transforms the electrostatic force effectively to the contact force because where electrostatic force is generated is near by the position real contacts are occurred in . Second, soft BCB under the contact layer is able to lower the contact resistance due to the fact that plastic deformation is influenced by the harness of the underlying layer (ex, substrate) within a distance of approximately 3r, where r is the deformation radius.
I-V characteristics including pull in voltage, current driving capability, resonant frequency, switching speed, contact resistance and lifetime under diverse current level were measured. The pull in voltage was about 37V and switching time was around 25us. Current carrying capability is tested in hot switching condition, and the 350mA of current could be carried through the proposed MEMS switch. Minimum contact resistance is as low as 4mΩ which is lowest value in our knowledge. In 100mA current level, minor variation of contact resistance is observed during $1.4\times10^6$ switching cycles. Additionally, in low current level of 1mA, the MEMS relay is able to operate for more than $10^8$ cycles without failure. All the tests of lifetime were conducted in air ambient and hot switching condition.
기존 EMR(Electro-Magnetic-Relay)과 SSR(Solid-State-Relay)은 각각의 장점과 단점을 가지며 현재의 relay시장을 양분하고 있다. 이러한 상황에서 EMR의 기계적인 특성과 SSR의 실리콘 기반 공정을 통합할 수 있는 새로운 스위칭 소자인MEMS relay가 제안되었다. 이 MEMS relay는 가장 이상적인 스위칭 소자임에도 불구하고 현재 높은 전류에서의 신뢰성이 취약해 전력분야로의 응용이 어려운 실정이다.
일반적으로 접촉저항은 MEMS 스위치의 신뢰성과 전력전달력에 있어서 가장 중요한 변수이다. 이 논문에서는 큰 접촉압력과 낮은 경도의 접촉물질을 이용하여 접촉저항을 줄일 수 있는 새로운 형태의 MEMS 스위치를 제안한다. 이를 달성하기 위해 격자형태의 드레인 전극과 부드러운 절연막을 이용한다. 격자형태의 드레인 전극을 이용하여 정전기력이 발생되는 부분과 실제 접촉이 일어나는 부분의 이격거리를 줄여 큰 접촉압력을 가지도록 하였고 부드러운 폴리머인 BCB를 접촉물질 아래에 두어 실질적인 경도를 줄일 수 있었다.
먼저, 정확한 분석과 문제접근을 위해 접촉저항의 이론적인 분석을 하였다. 다음으로 제안한 스위치의 세부적인 디자인과 원하는 성능을 달성하기 위한 디자인 룰을 정하였다. 또한 MEMCAD (ConventorWareTM )을 이용하여 스위치의 특성을 시뮬레이션을 통해 검증할 수 있었다.
실제 제작 이후 동작전압을 비롯한 전류-전압특성, 전류전달력, 공진 주파수, 스위칭 스피드, 접촉저항 및 신뢰성 측정을 하였다. 동작전압은 대략 37V 내외였고 스위칭 스피드는 25us로 다른 전력용 MEMS 스위치에 비해 빠른 특성을 얻었다. 전류전달력은 드레인과 소스전극에 전압을 인가한 상태에서 측정하는 Hot switching 방법을 사용했고 350mA의 전류를 견딜 수 있음을 알 수 있었다. 가장 낮은 접촉저항은 4mΩ으로 기존 연구들에 비해 가장 낮은 값을 얻었다. 모든 신뢰성 측정은 공기 중에서 hot switching 방법을 이용했다. 100mA의 큰 전류에서는 $1.4X10^6$ 의 스위칭 동작을 하였고 그 동안 접촉저항의 변화는 미미했다. 1mA의 낮은 전류에서는 $10^8$ 이상을 동작하는 좋은 신뢰성을 보였다.
