Mircoelectromechanical systems (MEMS) switches (relays) have attracted a lot of attention in recent years owing to their amazing advantages of high isolation, low on-resistance, low power consumption, and abrupt switching characteristics. Under current electronics trends of miniaturization and portability which require small device size and high power efficiency, these strengths make the MEMS relays to be one of promising switching devices for the next-generation.
In spite of the outstanding performance of the MEMS relays, there has been considerable difficulty in using these relays in power applications, owing to relatively poor reliability in high power (current) levels. To solve the contact endurance issue (the most severe problem), various novel approaches have been suggested in this dissertation.
1. As a structural approach, an electrostatically actuated MEMS relay with a stacked-electrode structure including a soft insulating layer and a levering and torsional spring is proposed, designed, and demonstrated. Very low contact resistance, reliable contact endurance, and high current driving capability can be achieved by means of the stacked-electrode structure (for high contact force) and the soft dielectric material under the contact material (for low effective hardness). Furthermore, the levering and torsional spring revives the switch itself after failure by stiction, resulting in a tenfold increase (up to $4.9 \times 10^5$ cycles at 200 mA of current level) of its lifetime, for the first time.
2. A simple method to make field-less or arc-less condition for the longer-lasting switching operations is presented, as a circuitry approach. It employs a drain voltage-sustaining capacitor, which maintains the drain voltage at the switch “opening” instant, thereby eliminating the voltage difference between two contacts. This drain voltage-sustaining capacitor could result in significantly enhanced lifetime in an Au-Au contact MEMS relay, by an order of magnitude, in hot switching condition.
3. As a material approach, a complementary dual-contact switch, which is composed of two sub-switches with respective hard and soft contact materials to acquire both high contact endurance and low contact resistance, is suggested. The dual-contact switch is designed to make the hard contact material sub-switch turn on first and turn off last. Under the umbrella operation of a reliable hard contact material sub-switch, the soft contact material sub-switch could obtain more enhanced contact endurance and aptly utilizes its low contact resistance characteristic. In turn, due to the low contact resistance of the soft contact material sub-switch, the hard contact material sub-switch made up for its high contact resistance.
4. A new type of complementary dual-contact “zipping” switch is also proposed to solve two critical issues in the previous dual-contact concept. By means of this “zipping” technique, the dual-contact sequence can now be realized by only a single micro-switch while preserving the complementary switching performance (smaller footprint). Furthermore, the zipping actuation could allow dual-contact sequence to be automatically realized even by a normal square gate voltage pulse, and thus a special waveform of the gate signal is not required to achieve dual-contact sequence (simpler actuation).
5. By being inspired from these three approaches, a novel “contact-refresh” approach is suggested to employ full apparent contact area, thus resulting in very reliable contact endurance. The concept is just accomplished by adding a lateral motion of the upper contact part to a conventional vertically-actuated switching device for making use of even unused contact spots. In this way, increased contact resistance by damaged contact spots during switching operations could be refreshed (decreased) when the switch is re-operated after slight movement of the upper contact part. Also, the estimated lifetime can be calculated to be $10^9$ cycles at 100 mA of current level in hot switching condition, which is about 3-order higher than the average value of the measured lifetimes in a single positions.
Microelectromechanical systems (MEMS) 스위치는 근본적으로 낮은 온저항, 깨끗한 온-오프 스위칭 특성, 낮은 전력 소모등의 매력적인 장점들로 인해 최근 주목을 받고 있는 가장 이상적인 스위칭 소자이다. 이러한 MEMS 스위치는 소형화, 높은 전력효율을 추구하는 현재 전자제품의 추세에 발맞춰, 기존 스위치들을 대체할 수 있는 차세대 스위칭 소자로써 점차 입지를 다지고 있는 실정이다.
좋은 성능을 통한 높은 기대치에도 불구하고, MEMS 스위치 자체를 전력분야에 적용하기는 매우 어려운데 이는 MEMS 스위치의 가장 핵심적인 문제로 꼽히고 있는 높은 전력 (전류)에서 좋지 않은 접촉 신뢰성 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 접근방향과 방법을 본 논문에서 소개한다.
1. 먼저 구조적인 접근 방법으로, 부드러운 절연막을 포함한 적층된 전극 구조와 지렛대의 비틀림 운동을 하는 스프링 구조를 결합한 새로운 형태의 정전구동방식의 MEMS 스위치를 제안한다. 접촉물질 아래에 부드러운 절연막을 두고 적층된 적극 구조를 사용함으로써 높은 접촉힘과 접촉물질의 낮은 경도를 동시에 가질 수 있고 이는 곧바로 극도로 작은 접촉저항, 신뢰적인 접촉 특성, 높은 전력 용량으로 이어진다. 또한, 지렛대의 비틀림 운동을 하는 스프링을 통해 200 mA의 전류에서 stiction fail이 난 소자를 다시 동작시켜, 최대 10배 이상의 신뢰성 향상 얻음을 최초로 실험적으로 검증하였다.
2. 회로적인 접근 방법으로, 두 접촉물질 사이에 생기는 전기장이나 아크 (신뢰성에 좋지 않은 영향을 끼치는)를 없애는 아주 간단한 방법을 제안한다. 드래인단에 직렬로 추가적인 캐패시터를 둠으로써 스위치가 오프가 될 때 순간적으로 두 접촉물질 사이에 전압차를 없앨 수가 있고, 이러한 방법을 통해 핫 스위칭 (hot switching) 조건에서 10배의 신뢰성 향상을 얻을 수가 있었다.
3. 재료적인 접근 방법으로, 높은 접촉 신뢰성과 낮은 접촉 저항 사이의 trade-off 관계를 극복하는 새로운 형태의 상호보완적인 듀얼 접촉 스위치를 제안한다. 이는 기본적으로 부드러운 물질과 단단한 물질을 접촉 재료로 사용하는 두 개의 스위치를 이용하고, 단단한 물질을 접촉재료로 사용하는 스위치가 부드러운 물질을 접촉재료로 사용하는 스위치 대비 먼저 온이 되고 늦게 오프가 되는 방식으로 동작한다. 이를 통해, 단단한 물질의 높은 신뢰성과 부드러운 물질의 낮은 접촉저항의 장점을 동시에 가지게 되고, 또한 각각의 물질은 서로의 단점을 보완해 주는 역할을 한다.
4. 듀얼 접촉 스위치보다 향상된 방법으로, 새로운 형태인 “지핑(zipping)”을 이용한 듀얼 접촉 스위치를 제안한다. 즉, 스위치의 기계적인 지핑현상을 이용하여 하나의 스위치로, 그리고 별도의 게이트 신호의 변형 없이도 이전 듀얼 접촉 방식을 손쉽게 구현할 수 있다.
5. 마지막으로, 넓은 접촉 면적(apparent contact area)을 사용하기 위한 새로운 방식의 “contact-refresh”방법을 제안한다. 이는 제한적인 부분의 접촉 돌기(asperity)나 접촉면을 사용한 이전 방식에서 탈피해, 접촉 부분을 위아래만이 아닌 옆으로도 이동한다는 방식을 취함으로써 기존에 사용하지 않았던 다른 접촉 돌기나 접촉면을 사용할 수 있게 한다. 이 방법을 통해 실제 증가된 접촉저항을 다시 낮추어 동작시킬 수 있게 되고 (접촉에 사용된 부분 이외에 부분을 사용할 수 있게 되고) 실제 예상 수명은 100mA에서 $10^9$ 이상까지도 얻을 수가 있다.
제시된 다양한 접근 방법들은 현재 MEMS 스위치의 가장 큰 문제인 접촉 신뢰성 부분을 해결하는데 있어 좋은 솔루션이 될 수 있고, 나아가 다른 연구자들에게 충분히 영감을 줄 수 있다는 점에서 의미를 가진다.
