MEMS-BasedMagnetic ReedSwitch Technology

요약 (Abstract)

소형 신호 스위칭 솔루션의 설계 및 개발의 선두 주자인 Coto Technology는 신 미세전자기계시스템(MEMS) 자기로 작동하는 스위치인 “RedRock™”을 발표했다. “RedRock™” 이라는 이름의 새로운 스위치는 MMES 공정과 관련된 고유한 장점과 함께 기존의 리드 스위치의 최고의 기능을 병합하였다. (제로 전원 가동 및 높은 전압의 핫 스위칭 역량 포함) 이러한 이점은 석판술 반도체 제조 방법을 (Lithographic Semiconductor Fabrication Method) 사용하여 성취 가능한 규모의 경제와 item-to-item 재현성을 (reproducibility) 포함하고 있습니다.

RedRock MEMS 스위치는 상업적으로 생산 가능한 스위치를 생산하기 위하여 High Aspect Ratio Microfabrication(HARM)을 처음으로 도입한 스위치 입니다. HARM은 핫 스위칭이 수백 밀리와트까지 가능한 기존의 MEMS 기반 자기 스위치로 작동되는 것 보다 몇 배의 뛰어난 접속 폐쇄 힘을 (contact closure forces) 발생시키는 스위치 구조를 생산합니다. 더욱이 스위치가 열려있을 때 발생하는 고 견인력으로 인해 (high retract force) 기존 MEMS 스위치 설계에 어려움을 주었던 핫 스위칭 중이나 장기 폐쇄 시기 후에 스위치가 닫히게 하는 현상을 완화하고 있습니다. 표면에 웨이퍼 스케일 패케징 결과는 크기 제한 어플리케이션에서 비용 효율이 높은 사용을 허용하는 2.4mm2의 풋 프린트와 0.95mm의 높이의 호환 가능한 스위치를 탑재합니다.

이 새로운 MEMS 기반 자기 스위치는 경구투여 캡슐 내시경, 인슐린 펌프, 보청기 같은 의학 기기에 수요가 높은 어플리케이션의 이상적인 솔루션입니다. 이러한 어플리케이션에는 소형화의 필요, 제로 전압 작동, 하부 구조 개수, 회로 복잡성의 최소화로 인해 GMR이나 Hall 기기 같은 활성 자기 스위치보다 자기 리드 (magnetic reed) 같은 비활성 스위치를 선호합니다. 그러나 기존의 리드 스위치는 이러한 어플리케이션에 사용하기에는 조금 큰 것으로 알려져있습니다. RedRock 스위치의 다른 용도는 고 정밀 레벨과 위치 감지 그리고 같은 HARM 기술을 사용하여 개발된 통합 코일이 있는 극 소형 리드 릴레이와 병합을 포함하고 있습니다.

RedRock의 운영 이론, 운영 특성, 사양을 평면 MEMS 스위치, Hall Effect, 거대 자기 저항 (GMR), 이방성 자기 저항 (AMR), 기존의 리드 스위치 등을 포함하는 잘 알려진 다른 자기 스위칭 기술과 비교하고 대조하였습니다. 자기 민감도와 방향성의 실험 수치를 포함하고 있으며 MEMS 스위치 개발에 관련된 사전 특허와 Peer Review 작업의 문헌을 포함하고 있습니다.

도입 (Introduction)

리드 스위치는 크게 전자기계적 릴레이로의 성과를 연구하다가 전화 교환에 사용한 Bell Labs에 연구원들에 의해서 70년 전에 발명된 이래로 널리 사용되고 있는 스위칭 기술입니다. 그러나 그 70년 동안 적어도 지금까지 그 설계가 거의 변하지 않고 있습니다. 전통 리드 스위치는 아직도 그 팀들 사이에 극간이 있는 유리 튜브로 밀봉 되 있는 2개의 탄력 있는 제 1철 금속 날로 구성되어있습니다. Figure 1에서는 영구 자석 혹은 전류가 흐르는 전선의 코일을 가까이 접근 시키면 두 날 사이에 전기회로를 완료하여 날이 자석화되며 서로를 끌어당깁니다. 그것의 단순성에도 불구하고 리드 스위치는 많은 장점을 가지고 있습니다; 튼튼하며 크기에 대한 고 전압을 전환할 수 있습니다; 완전하게 밀봉하였으므로 전자기계적 아마추어 릴레이같지 않게 접촉되는 부분을 오염으로부터 방지하였습니다; 몇몇의 고체 상태 스위치와는 다르게 정전식 방전으로부터 손상되기 쉽지 않습니다. 수 억 개의 리드스위치와 리스 릴레이는 자동화 실험 장치 (ATE), 자동차, 세탁기, 행성 탐색기, 보청기 그리고 노트북 컴퓨터 등 다양한 시스템에 사용되고 있습니다.

그러나 리드 스위치는 몇 가지 단점을 갖고 있습니다. 상대적으로 생산하는데 고가이며 더 이상 크기를 줄일 수 없습니다. 1940년 50mm 길이였으며 지금은 약 5mm까지 더 작게까지 줄였으나 다 수의 최신 어플리케이션에는 너무 큽니다. 스마트폰, 테블렌 PC, 다 수의 다른 개인의 휴대성 전자기기의 출현으로 인해서 전자 기기는 이러한 기술을 실험하고 가능하게 만들기 위해서 계속해서 크기를 줄이고 있습니다. 리드 스위치도 예외가 아닙니다. 그래서 기존 형태보다 더 소형화 하며 유사 전기 스위칭 전압 사용이 가능하고 표면 실장 기술로 인해서 회로판에 설치가 가능한 자기 작동 리드 스위치에 대한 강한 수요가 있습니다. 표면 실장 기술 (SMT) 부품은 고 패킹 밀도이며 자동화 pick-and-place 기계를 사용하여 탑재 가능하기 때문에 구멍을 통해 부품을 장착하는 것을 대체하며 기존 리드 스위치는 시간에 지남에 따라 더 이상 사용하지 않고 있습니다. 이 White Paper에서 이 필요를 채우는 Coto Technology가 개발한 새로운 종류의 리드 스위치에 대해서 설명하고 있습니다. 이 white paper에는 리드 릴레이와 리드 스위치를 구분에서 용어를 사용합니다. 리드 스위치는 자석이나, 전류가 흐르는 코일 혹은 2가지의 혼합에 의해서 작동할 수 있는 독립된 장치입니다. 리드 릴레이는 리드 스위치와 코일이 하나의 부품으로 결한 것입니다.

RedRock™, a New Kind of Reed Switch
레드록 새로운 종류의 리드 스위치.

새 코토 레드 록 스위치는 마이크로리소그래피(microlithography: 초정밀석판술) 기반으로합니다.
리드 스위치의 모든 요소와 장점은 금속 자기장의 위에서 함께 스냅, 전기 회로를 완성 하고 블레이드 및 루테늄 코팅 된 접촉 밀폐 용기(유리관)를 포함하고 있습니다.
그러나, 리드 스위치의 발명 이후 처음으로, 새로운 스위치는 완전히 다른 방식으로 이루어집니다.스탬프 니켈 - 철 블레이드 및 밀봉 된 유리관으로 되어 있습니다.. 그 곳에서 많은 기존의 리드 스위치의 외부 도선과 같은 자기장 앰프의 역할을 하는두 개의 거대한 전기적으로 절연 된 금속 블록, 캔티레버( 한쪽으로만 고정된 접점) 입니다.
(그림 2) 캔틸레버와 블록 하나를 사이에 작은 차이가있습니다.
외부 자석의 자속 갭에서 구축하고 전기 접촉 캔틸레버를 가져옵니다. 블록.접점은 최대 접촉 장수 루테늄 코팅되어 있습니다.

새로운 스위치 구조의 핵심은 리드 스위치 블레이드 석판 생산 희생 몰드를 사용하여 스위치의 세라믹 기지에서 위쪽으로 성장시키는 방법입니다. 이 형의 정확한 크기와 그것의 극단적으로 평행 한 벽 리드 스위치 블레이드 및 접점 갭의 두께는 마이크로 미터의 비율로 조절되어 있는지 확인합니다. 그림 3은 일반적인 HARM 구조를 미세하게 보여줍니다. 이것은 기존의 리드 스위치의 칼날 스탬프 및 유리 밀폐, 밀봉 과정에서 달성 할 수 있는 것보다 훨씬 더 정밀합니다. 차례로, 다른 스위치 와의 사이에 스위치 폐쇄 감도가 훨씬 높은 재현성(다시 되돌아 오는 감도)이 정확한 치수 제어 결과임. 이 유형은 "높은 종횡비 미세(HARM) "또는 HARM 이라고 불리움. 그리고 스위치 구조가 평면 MEMS 스위치에서 이 새로운 기술을 구분하는 스위치 기판에 대해 수직으로 성장시키는 방법입니다. 이 차이를 설명하려면 MEMS 나 마이크로 전자 기계 시스템 장치에 대한 간단한 설명이 필요합니다.

HARM(High Aspect Ratio Microfabrication)제조법이 자기 운영하는 리드 스위치를 구축하기 위한 훌륭한 방법인지 이유를 설명하는 리드 스위치 디자인에 대한 몇 가지 배경을 살펴 보자. 모든 리드 스위치는 전기 회로를 완성 할 때를 보면, 자성이 인가될 때 하나 또는 두 개의 유연한 금속 블레이드가 자성을 가지고 서로 끌리게 됩니다.

더 강한 자기장을 적용하십시요 그러면 블레이드(칼날들)는 더 강하게 서로를 끌어들이게 된다. 만일 (그리고 이것이 크다면) 자속이 정말로 더이상 수행할 수 없으면 날들은 포화되지 않는다

그런 경우가 발생하면, 적용된 자기장이 얼마나 강한가에 관계없이 접촉면에는 어떠한 힘도 적용되지 않는다.

우리가 표시됩니다 이런 상황이 발생하면, 리드 스위치의 접점의 힘은 플럭스에 의존하여 접점 사이의 간격을 도달합니다. 비유를 들어보면, 물 파이프 안에 물처럼 스위치 블레이드 안에 자기장이 흐릅니다(좁은 파이프를 사용하면 물이 천천히 흐르는 것과 같이) 물 파이프 물이기 때문에 리드 스위치 블레이드는 자속에 있습니다 - 스로틀 아래로 너무 좁은 파이프를 사용하여 흐름을, 그리고 당신이 어떻게 적용되는지에 많은 압력 (자력)에 상관없이, 물 (유출) 그냥 세류합니다 천천히. 그래서 당신은을 통해 그 흐름을 많이하게하고 가능한 가장 높은 접촉 힘을 얻기 위해 가능한 한 큰 단면적 리드 스위치 블레이드를 갖고 싶어. 그러나 그들이 너무 두껍게하지 않는, 또는 심하게 설계 다이빙 보드처럼, 그들이 구부러 가능한 자력이 너무 딱딱 얻을 것이다. 트릭은 그들을 두껍게 하고 있지 않습니다, 블레이드를 확대하여 가능한만큼 큰 단면적을 얻을 수 있습니다. 넓은 날은 두께가 동일 제공, 좁은 잎만큼 유연하다. 의 스프링 상수는 단순히 폭에 직접 비례하여 증가한다. (당신이 확신을 원하는 경우 광선 역학을 포함하는 초등학교 물리학 교과서를 참조하십시오.)


High Aspect Ratio Microfabrication (HARM) Compared to Planar MEMS
높은 종횡비의 미세 가공(HARM) 과 평면 MEMS에 비교

Making a reed switch the planar MEMS way
MEMS 방법으로 리드스위치 제작

First, consider how a reed switch blade is made in the planar MEMS process. Figure 4 illustrates the typical construction of a planar MEMS magnetic switch. [3]
첫째, 리드 스위치 블레이드 평면 MEMS 공정에서 이루어집니다 방법을 고려해야 합니다. 그림 4는 평면의 MEMS 마그네틱 스위치의 일반적인 구조를 보여줍니다. [3]

칼날은 기초 표면 위에 전기 도금됩니다, 그리고 그 다음에 대부분의 칼날의 아래 희생 층은 에칭으로 새겨집니다, 칼날을 자유롭게 하며 그래서 그것은 구부러질 수 있습니다.
그러나 얇고, 넓은 블레이드를 만드는 기존의 전기에 의한 평면 MEMS 방법은 여러 가지 이유로 어렵습니다. Rebeiz의로 [4] 참고, 박막 증착의 피할 수없는 제품은 외팔보의 법선 방향의 응력 구배의 존재입니다.

일반인의 관점에서, 그것은 도금 응력이 축적되어 블레이드 위쪽 또는 아래쪽으로 컬링을 성장을 시작하는 원인을 시작하기 전에 적절한 블레이드의 두께를 얻기 어렵다는 것을 의미합니다.

둘째, 그것은 자석 마감 감도 매우 넓은 확산의 결과로, 접촉 간격 폭을 잘 제어하는 것은 매우 어렵습니다. 그래서 도금 블레이드 자속을 많이 수행하기에 충분한 두께가 되기 전에 중지해야 합니다. 당신이 넓어을 도금하여 블레이드의 단면적을 최대화하려고 하는 경우 그리고 물론, 그것은 가능한 한 작은 스위치로 만들려고 지점을 물리 치고, 스위치의 발자국을 증가시킵니다.
우리의 경험에서 대부분의 스위치 사용자가 훨씬 더 많은 관심 풋 프린트에 대한 스위치 (PCB )의 그들이 높이에 대한보다 중요합니다.

블레이드베이스 기판 위에 전기 도금, 다음 날의 가장 아래에 희생 층이 구부러질 수 있도록 칼날을 확보, 에칭이 됩니다.