Micro electro mechanical system (MEMS) switch draw a great attention due to its ideal IV characteristics, zero stand by power, robustness to radiation and high temperature and compatibility to non-silicon substrate. However, The MEMS switch is facing the big huddle to wide range of applications due to its low reliability. To solve this problem, we found a hint from the electrical contact in bulk size, and surface modification of the electrical contact has been applied to improve the performances of switch.
Insulating liquid has been applied to the MEMS switches and showed dramatic reduction of the adhe-sion force from 52.8 $\mu$N to 2.52$ \mu$N, which is 95.2% decrease. However, severely slow switching speed (1.776 $\mu$s in air and 0.710ms in insulating liquid) and unexpected short lifetime in insulating liquid environment has been observed.
Nanoparticle is also tested as a surface texturing material for MEMS switch. The topography of the nanoparticle deposited contact surface changed to be rough and have long interaction distance, which ana-lyzed to be advantageous for low adhesion force and contact resistance. To apply nanoparticles into the con-tact layers of the MEMS switch, PR mold pattering method has been developed. Nanoparticle deposited MEMS switch was successfully fabricated by PR sacrificial layer.
The nanoparticle deposited MEMS switch have shown enhanced performance with compared to native MEMS switch. The capillary force accounted for 27.55% of the total adhesion force of the native switch while zero in nanoparticle textured MEMS switch. The contact resistance under 240 $\mu$ N contact force have decreased from 248.3m $\Omege$ to 20.7m $\Omege$.which is 91.7% dramatic reduction. We also have tested the effect of the nanoparticle size on the electrical contact. We have found that larger nanoparticle tends to be resistant against the hydrocarbon deposition from ambient air. Also by slightly changing the plate structure of the MEMS switch, we could magnify the effect of nanoparticles. The average lifetime of native switch was 5.125×$10^{4}$, while that of switch textured with Au 60nm was 4.750×$10^{5}$, which is almost an order of magnitude increase.
멤스 스위치는 매우 이상적인 IV 특성과 매우 낮은 대기전력, 외부 환경에 둔감한 특성, 비실리콘기판에 제작이 가능하다는 점에서 많은 주목을 받아왔다. 하지만, 멤스 스위치는 낮은 신뢰성으로 인하여 다양한 분야에 적용되거나 상용화에 있어 큰 어려움을 겪어 왔다. 이를 해결하기 위하여, 기존 대형전기접촉 분야의 연구내용에 착안하여 전기접촉표면을 변화시킴으로 신뢰성을 향상시키는 연구를 수행하였다.
처음으로는 절연유를 멤스 스위치에 적용하여 접촉힘이 52.8 $\mu$ N에서 2.52 $\mu$ N으로 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 약 95.2% 에 준하는 감소치이다. 하지만 반대로 멤스 스위치의 스위칭 시간이 증가하였고 (1.776 $\mu$ s: 공기 분위기, 0.710 ms: 절연유 분위기), 탄소 흡착으로 의심되는 메커니즘으로 인하여 수명이 감소하였다.
다음으로는 나노입자를 이용하여 멤스 스위치의 전기접촉표면을 변화시켰다. 나노입자를 통하여 접촉표면이 거칠어졌고, 표면 간 유효반응거리가 증가하였음을 확인하였다. 나노입자를 멤스 스위치에 적용하기 위하여 PR 몰드를 사용하는 방법과 나노입자를 선 증착 후 바닥 전극을 형성하는 두 가지 부착 방법을 개발하였고, 이후 멤스 스위치를 PR 희생층을 이용하여 제작함으로써 성공적으로 전기접촉표면이 변형된 멤스 스위치의 공정을 성공적으로 개발하였다.
나노입자가 부착된 멤스 스위치는 기존의 일반 멤스 스위치에 대비하여 향상된 특성을 보였다. 접촉힘이 감소하였고, 공기 중에서는 접촉힘의 27.55% 의 비중을 차지하던 모세관힘이 나노입자 표면에서는 거의 존재하지 않게 됨을 확인하였다. 접촉저항은 240 $\mu$N 의 조건에서 248.3m $\Omege$ 에서 20.7m $\Omege$ 으로 91.7% 의 매우 향상된 결과를 확인 하였다.
단일 조건 뿐만 아니라, 나노입자의 크기, 밀도, 물질에 따른 경향을 파악하는 연구도 진행을 하였다. 이중에 나노입자의 요소별 특성과 전기접촉표면의 탄소흡착에 따른 특성변화에 대해 집중하여 경향을 확인하였다. 이를 반영하여 기존의 5.125×$10^{4}$회의 일반 스위치의 수명을 골드 나노입자 60nm 를 주입함으로 4.750×10$10^{5}$ 회로 급격히 증가시켰다.
