CN102959850A - 半导体器件和静电致动器的驱动方法 - Google Patents

Abstract

根据一个实施例，半导体器件包括静电致动器，所述静电致动器包括第一和第二下电极（43，44），所述第一和第二下电极（43，44）上方通过锚状物支撑的且配置为向下移动的上电极（45），以及所述上电极（45）与所述第一和第二下电极（43，44）之间提供的绝缘膜（46），所述第一下电极（43）和上电极（45）构成第一可变电容元件（CEMS1），所述第二下电极（44）和上电极（45）构成第二可变电容元件（CMEMS2）；第一固定电容元件（CMIM1），连接到所述第一下电极（43）；第二固定电容元件（CMIM2），连接到所述第二下电极（44）；以及检测电路（15），连接到所述上电极（45）并且配置为检测存储在所述绝缘膜（46）中的电荷量。

Description

半导体器件和静电致动器的驱动方法

相关申请的交叉引用

本申请基于2010年8月30日提交的在先日本专利申请No.2010-192599并要求享有其优先权权益；其全部内容通过参考并入本文中。

技术领域

本文中描述的实施例通常涉及半导体器件和静电致动器的驱动方法。

背景技术

作为一种用于实现最近的电子器件的小型化、轻巧、低功率消耗和高度复杂的功能的技术，微电子机械系统（MEMS）的技术已经获得了很大的关注。MEMS是具有通过硅工艺技术结合的较小的机械元件和电子电路元件的系统。

使用MEMS的静电致动器用在射频（RF）MEMS可变电容器或者RF-MEMS开关中。例如，静电致动器包括下电极、上电极和设置在所述电极之间的绝缘膜。为了将静电致动器从向上状态转换成向下状态，在下电极与上电极之间施加电势差以驱动上电极。

附图说明

图1是示出根据一个实施例的半导体器件10的框图。

图2是如图1所示的半导体器件10的电路图。

图3是MEMS可变电容器11的俯视图。

图4是沿图3的线A-A’得到的MEMS可变电容器11的横截面图。

图5是示出参考电压生成电路31的电路图。

图6是示出MEMS可变电容器11的电容与所施加的电压之间的关系的示图。

图7是示出在电荷检测操作时间时的电压关系的时序图。

图8是示出在向上状态和向下状态下的电压变化ΔV的曲线图。

图9是示出在向上状态与向下状态下的电压变化ΔV之间的差δV的曲线图。

图10是示出在电荷检测操作时间时的电压关系的时序图。

图11是示出在向上状态和向下状态下的电压变化ΔV的曲线图。

图12是示出在向上状态和向下状态下的电压变化ΔV之间的差δV的曲线图。

图13是示出半导体器件10的另一实例的框图。

图14是示出半导体器件10的另一实例的框图。

具体实施方式

通常，根据一个实施例，提供了一种半导体器件，包括：

静电致动器，包括第一和第二下电极，在第一和第二下电极上方通过锚状物支撑且配置为向下移动的上电极，以及在所述上电极和所述第一和第二下电极之间提供的绝缘膜，第一下电极和上电极构成第一可变电容元件，第二下电极和上电极构成第二可变电容元件；

第一固定电容元件，连接到第一下电极；

第二固定电容元件，连接到第二下电极；以及

检测电路，连接到上电极并且配置为检测存储在绝缘膜中的电荷量。

在下文中，将参考附图描述本实施例。在以下的描述中，相同或功能等效的元件用相同的附图标记表示，由此简化所述描述。

[1]整体结构：

图1是示出根据一个实施例的半导体器件10的结构的框图。所述半导体器件10包括静电致动器11、两个配置为驱动静电致动器11的开关电路12和13、向开关电路12和13提供电压Vhold的电荷泵（CP）14、检测存储在静电致动器11的绝缘膜中的电荷量的电荷检测电路15、生成用于电荷检测操作的必要的电压的电压生成电路16、两个低通滤波器（LPF）17和18、以及控制半导体器件10的操作的控制电路19。

作为静电致动器11，可以使用MEMS可变电容器或MEMS开关、并且在这个实施例中，解释了MEMS可变电容器作为实例使用的情况。电荷泵14提升电源电压Vdd以生成比电源电压Vdd高的电压Vhold。

图2是如图1所示的半导体器件的电路图。然后，解释MEMS可变电容器11、开关电路12和13以及电荷检测电路15的详细结构。

[2]MEMS可变电容器11的结构：

例如，MEMS可变电容器11包括两个端口P1和P2，端口P1连接到用于传输高频信号的信号线，端口P2接地。MEMS可变电容器11包括两个可变电容元件C_MEMS1和C_MEMS2以及两个固定电容元件C_MIM1和C_MIM2。

通过低通滤波器17将可变电容元件C_MEMS1和C_MEMS2的上电极连接到开关电路12。此外，连接到可变电容元件C_MEMS1和C_MEMS2的上电极的C_PARA表示寄生电容器，例如互连电容器或结电容器。可变电容元件C_MEMS1与可变电容元件C_MEMS2串联连接。C_MIM1的下电极连接到端口P1。可变电容元件C_MEMS2与固定电容元件C_MIM2串联连接。C_MIM2的下电极连接到端口P2。可变电容元件C_MEMS1的下电极通过电阻器R1和低通滤波器18连接到开关电路13。可变电容元件C_MEMS2的下电极通过电阻器R2和低通滤波器18连接到开关电路13。

MEMS可变电容器11通过如下方式配置：在端口P1与P2之间串联连接固定电容元件C_MIM1、可变电容元件C_MEMS1、可变电容元件C_MEMS2和固定电容元件C_MIM2。MEMS可变电容器11的电容等于四个电容元件的总电容。

提供固定电容元件C_MIM1和C_MIM2以增强可变电容元件C_MEMS1和C_MEMS2的耐受电压。电阻器R1和R2起到防止可变电容元件C_MEMS1和C_MEMS2的下电极短路的作用。

具有上述结构的MEMS可变电容器11能够增强热切换特性。热切换是正在将信号功率提供到MEMS可变电容器上的同时将状态从向上状态切换到向下状态或者从向下状态切换到向上状态。通常，在热切换时，MEMS可变电容器的可靠性降低。然而，这个实施例的具有连接在端口P1与P2之间的多个电容元件的MEMS可变电容器11可以减小施加到可变电容元件C_MEMS1和C_MEMS2上的电压。

然后，解释MEMS可变电容器11的结构的一个实例。图3是MEMS可变电容器11的俯视图。图4是沿图3的线A-A’得到的MEMS可变电容器11的横截面图。

在衬底41（例如硅衬底41）上，例如，形成由氧化硅形成的绝缘层42，并且在绝缘层42上形成MEMS可变电容器11。在绝缘层42上，形成分离布置的两个下电极43和44。在下电极43和44的上方布置上电极45。在下电极43和44上形成绝缘膜46，以防止下电极43和44与上电极45发生电接触。绝缘膜46可以布置在下电极43和44与上电极45之间，例如，可以布置在上电极45下方。

四个弹簧47连接到上电极45，每个弹簧47的末端由锚状物48支撑。因此，布置在下电极43和44上方的上电极45可以通过静电吸引向下移动。下电极43和上电极45构成可变电容元件C_MEMS1。下电极44和上电极45构成可变电容元件C_MEMS2。带有弹簧结构的互连49电连接到上电极45。互连49的末端由导电锚状物50支撑。

在绝缘层42上，形成下电极51和52以夹置下电极43和44。下电极51用作端口P1且下电极52用作端口P2。在下电极51上形成绝缘膜53。在绝缘膜53上形成上电极54。下电极51、绝缘膜53和上电极54构成固定电容元件C_MIM1。将上电极54形成为与下电极43重叠，并且上电极54与下电极43电连接。在图3中，上电极54与下电极43之间的连接部分57用虚线表示。下电极51和43通过绝缘膜53而彼此隔离。

在下电极52上形成绝缘膜55。在绝缘膜55上形成上电极56。下电极52、绝缘膜55和上电极56构成固定电容元件C_MIM2。形成上电极56以与下电极44重叠，并且上电极56与下电极44电连接。在附图3中，在上电极56与下电极44之间的连接部分58用虚线表示。下电极52和44通过绝缘膜53而彼此隔离。

MEMS可变电容器11的电容随从向上状态到向下状态或从向下状态到向上状态的变化而变化。向上状态（断开状态）是未驱动上电极45且上电极45和下电极43（或44）是分离的状态。向下状态（闭合状态）是上电极45被驱动至下部分且上电极45和下电极43（或44）彼此接触（其间设置有绝缘膜46）的状态。

[3]开关电路12和13的结构：

然后，解释开关电路12和13的结构。开关电路12和13是用于驱动MEMS可变电容器11的驱动电路。开关电路12和13的结构是相同的，并且下文举例解释了开关电路12。在图2中，仅仅示出开关电路12的电路结构。

如图2所示，开关电路12包括四个开关元件21至24，两个本地升压器25和26以及升压电容器CBT。使用具有高耐受电压的金属半导体场效应晶体管（MOSFET）作为开关元件21和22，例如使用N沟道MOSFET（NMOSFET）。例如，使用NMOSFET作为开关元件23和24。

NMOSFET 21的漏极连接到电荷泵14的输出端，并且NMOSFET 21的源极通过节点N1连接到升压电容器CBT的第一电极。MOSFET 21的栅极电压由本地升压器（LB）25控制。

NMOSFET 22的漏极连接到电荷泵14的输出端，并且NMOSFET 22的源极通过节点N2连接到升压电容器CBT的第二电极。NMOSFET 22的栅极电压由本地升压器26控制。

节点N1连接到第一放电电路23。放电电路23基于来自控制电路19的控制信号将节点N1放电至地电压Vss。节点N2连接到第二放电电路24。放电电路24基于来自控制电路19的控制信号将节点N2放电至地电压Vss。放电电路23和24中的每一个均由例如NMOSFET配置而成。

[4]电荷检测电路15的结构：

接下来，解释电荷检测电路15的结构。当MEMS可变电容器11重复地设定在向上状态和向上状态时，出现电荷存储在上电极45与下电极43和44之间的绝缘膜46中的所谓的充电。当所存储的电荷量超出特定的阈值时，出现上电极45不从绝缘膜46分离的所谓的粘滞（sticktion）缺陷。电荷检测电路15基于MEMS可变电容器11的电容确定存储在绝缘膜46中的电荷量。

作为电荷检测方法，提供一种用于在MEMS可变电容器11设定在向下状态后将MEMS可变电容器11的上电极45与下电极43（或44）之间的施加电压设定为恒定监视电压Vmon的方法。此时，根据上电极45是否从绝缘膜46分离可以估计存储在绝缘膜46中的电荷量。

如图2所示，电荷检测电路15包括参考电压生成电路31、比较器（COMP）32和两个开关元件33和34。例如，使用NMOSFET作为开关元件33和34。

参考电压生成电路31生成参考电压Vref。参考电压生成电路31的输出端通过节点N3和NMOSFET33连接到比较器32的第一输入端子。开关电路12的节点N1通过NMOSFET34连接到比较器32的第二输入端子。

电荷检测电路15连接到构成具有较小寄生电容的静电致动器的上电极和下电极中的一个。在该实施例中，固定电容元件C_MIM1和C_MIM2分别连接到下电极43和44，并且由于固定电容元件是金属-绝缘体-金属（MIM）结构的电容器，固定电容元件C_MIM1和C_MIM2的电容与寄生电容器C_PARA的电容相比更大。因此，电荷检测电路15连接到上电极45，所述上电极45的寄生电容小于下电极的寄生电容。

图5是示出参考电压生成电路31的结构的电路图。参考电压生成电路31包括电荷泵14、开关电路12和13、低通滤波器（LPF）17和18、电阻器R1和R2、寄生电容器C_PARA以及两个固定电容元件C_REF1和C_REF2。构成参考电压生成电路31的电荷泵14、开关电路12和13、低通滤波器17和18、电阻器R1和R2以及寄生电容器C_PARA具有与在图2中用相同附图标记表示的那些部分相同的结构，并且它们的连接关系与图2中的连接关系相同。图5中所示的电荷泵14一般可以用于图2所示的电荷泵14。图5的开关电路12和13由控制电路19控制，以执行与图2的开关电路12和13所执行的操作相同的操作。

固定电容器C_REF1可以由以下的方程式表示：

C_REF1=（C_MEMS1_up+C_MEMS1_dn）/2

C_MEMS1_up表示当MEMS可变电容器11设定在向上状态时的可变电容元件C_MEMS1的电容。C_MEMS1_dn表示当MEMS可变电容器11设定在向下状态时的可变电容元件C_MEMS1的电容。

固定电容器C_REF2可以由以下的方程式表示：

C_REF2=（C_MEMS2_up+C_MEMS2_dn）/2

C_MEMS2_up表示当MEMS可变电容器11设定在向上状态时的可变电容元件C_MEMS2的电容。C_MEMS2_dn表示当MEMS可变电容器11设定在向下状态时的可变电容元件C_MEMS2的电容。

具有上述结构的参考电压生成电路31可以生成参考电压Vref，该参考电压Vref是在当MEMS可变电容器11设定在向上状态时的节点N1的电压与当MEMS可变电容器11设定在向下状态时的节点N1的电压之间的中间电压。

[5-1]操作1：

首先，解释MEMS可变电容器11的操作。在向上状态，上电极45与下电极43（或44）之间的电势差小于下拉（pull-in）电压。下拉电压是用于上电极45向下移动所需要的电压，并且是使静电吸引变得大于弹簧47的回复力的电压，所述静电吸引用于将上电极45吸引向下电极43。向下状态可以通过例如使开关电路12向上电极45施加地电压Vss且使开关电路13向下电极43和44施加地电压Vss来实现。作为具体操作，在开关电路12和13的每一个中，使NMOSFET23导通，以使节点N1放电至地电压Vss。

作为实现向下状态的方法，提供了一种用于在上电极45与下电极43之间施加从上电极45作用到下电极43的电场（向下电场）的方法和一种执行相反操作的方法。首先，解释用于施加向下电场的方法。

以以下的顺序操作开关电路12的NMOSFET 21和22以便驱动MEMS可变电容器11（将其设定在向下状态）

（1）NMOSFET 21：导通

（2）NMOSFET 21：关断

（3）NMOSFET22：导通

在步骤（1），通过电荷泵14对升压电容器C_BT进行充电以将节点N1的电压设定在电压Vhold附近。电压Vhold是MEMS可变电容器11的保持电压（hold voltage），并且设定为小于下拉电压。因此，此时，MEMS可变电容器11保持在向上状态。下拉电压是使上电极45向下移动所需的电压。保持电压是保持在上电极45向下移动且与绝缘膜46接触后所得到的状态所需的电压。

随后，在步骤（2）关断NMOSFET 21，然后，在步骤（3）将节点N2的电势设定在电压Vhold附近。此时，通过升压电容器C_BT的电容耦合，节点N1的电势提升至比下拉电压高的驱动电压Vact。结果，实现了MEMS可变电容器11的向下状态。下电极43和44通过开关电路13的NMOSFET23保持在0V。

在这之后，使NMOSFET 21导通，使NMOSFET 22关断，并且使NMOSFET 24导通。结果，节点N1的电势设定在电压Vhold附近，并且保持MEMS可变电容器11的向下状态。

然后，解释检测存储在MEMS可变电容器11中的电荷量的操作。如前所述，当MEMS可变电容器11重复地设定在向上状态和向下状态时，电荷存储在上电极45与下电极43和44之间的绝缘膜46中。图6是示出MEMS可变电容器11的电容与所施加的电压之间的关系的示图。在图6中，示出了在上电极45与下电极43和44之间的绝缘膜46中几乎未存储电荷的情况（虚线）以及在绝缘膜46中存储电荷的情况（实线）。图6中的横坐标表示上电极45与下电极43和44之间的电势差ΔV，纵坐标表示MEMS可变电容器11的电容。

如图6所示，当在绝缘膜46中几乎未存储电荷时，用于从绝缘膜46分离上电极45的电压（上拉（pull-out）电压）变得更高。上拉电压随着存储在绝缘膜46中的电荷增多而变低。在该实施例中，根据当电势差ΔV设定在监视电压Vmon时上电极45是否从绝缘膜46分离来检测存储在绝缘膜46中的电荷量。监视电压Vmon的上限设定为比当在绝缘膜46中几乎未存储电荷时所设定的上拉电压低的电压。此外，监视电压Vmon的下限可以设定为比0V高的期望电压，并且设定为较低的电压，以检测在绝缘膜46中存储有较多电荷的状态。另一方面，如果检测到在绝缘膜46中存储有较少电荷的状态，则将其设定为较高的电压。监视电压Vmon是由图1的电压生成电路16生成的。

图7是示出在电荷检测操作时的电压关系的时序图。图7示出当施加向下电场时的电荷检测操作的实例。

首先，将MEMS可变电容器11设定在向下状态。此时，开关电路13将下电极43和44的电势设定为接地电压Vss（=0V）。这是通过使开关电路13的NMOSFET 23导通实现的。此外，在向上电极45施加电压Vact之后，开关电路12将上电极45的电势设定为电压Vhold。结果，将MEMS可变电容器11设定在向下状态。

然后，控制电路19使NMOSFET 35导通以向上电极45施加监视电压Vmon。此时，开关电路12的NMOSFET 21保持关断。同样地，控制电路19也向参考电压生成电路31施加监视电压Vmon。

然后，使开关电路12的NMOSFET 22导通，并且使NMOSFET 24关断。结果，开关电路12的节点N2设定为电压Vhold。在这种情况下，设定了C_MEMS1_up<C_MEMS1_dn和C_MEMS2_up＜C_MEMS2_dn的关系。因此，如果MEMS可变电容器11设定在向上状态（up）时，则上电极45的电极极大地上升，并且如果MEMS可变电容器11设定在向下状态（dn）时，则上电极45的电压轻微上升。就是说，如果在向上状态时的电压变化是ΔV_up，在向下状态时的电压变化是ΔV_dn，则设定了ΔV_up>ΔV_dn的关系。

ΔV_up由以下的方程式（1）表示：

$\mathrm{\&Delta;V}\_\mathrm{up}=\frac{C_{\mathrm{BT}}}{C_{\mathrm{BT}}+C_{\mathrm{MEMS}1}\_\mathrm{up}+C_{\mathrm{MEMS}2}\_\mathrm{up}+C_{\mathrm{para}}}\mathrm{Vhold}...\left(1\right)$

ΔV_dn由以下的方程式（2）表示：

$\mathrm{\&Delta;V}\_\mathrm{dn}=\frac{C_{\mathrm{BT}}}{C_{\mathrm{BT}}+C_{\mathrm{MEMS}1}\_\mathrm{dn}+C_{\mathrm{MEMS}2}\_\mathrm{dn}+C_{\mathrm{para}}}\mathrm{Vhold}...\left(2\right)$

通过使NMOSFET 33导通而从参考电压生成电路31向比较器32的第一输入端子施加参考电压Vref。由于参考电压生成电路31执行与开关电路12和13相同的操作，参考电压Vref设定为在“Vmon+ΔV_up”与“Vmon+ΔV_dn”之间的中间电压。比较器32比较上电极45的电压（节点N1的电压）与参考电压Vref。基于比较结果，在将监视电压Vmon施加到上电极45的同时可以确定MEMS可变电容器11是设定在向上状态还是向下状态。将确定结果传送给控制电路19。

当驱动MEMS可变电容器11时，控制电路19基于上述确定结果确定在上电极与下电极之间的电场方向。就是说，如果确定检测操作的结果是MEMS可变电容器11设定在向上状态，则由于在绝缘膜46中未存储大于或等于阈值的电荷，控制电路19在不改变MEMS可变电容器11的上电极与下电极之间的电场方向的情况下驱动MEMS可变电容器11。另一方面，如果确定检测操作的结果是MEMS可变电容器11设定在向下状态，则由于在绝缘膜46中存储有大于或等于阈值的电荷，控制电路19改变MEMS可变电容器11的上电极与下电极之间的电场方向，并且驱动MEMS可变电容器11。

（实施例）

下文解释根据该实施例的操作1的半导体器件10的实验结果。在测量半导体器件10的实验结果的过程中，使用在下表中示出的编号（numeral）。此外，在如（1）至（3）所示那样改变条件的同时进行三个模式的测量。

表1

	CMEMS_up(fF)	CMEMS_dn(fF)	CBT(fF)	Cpara(fF)
					1	88.308	1867.04	4900	2000
2	176.64	3734	8400	2000
					3	264.96	5601.04	11900	2000

C_MEMS_up表示当MEMS可变电容器11设定在向上状态时的可变电容元件C_MEMS1或C_MEMS2的电容。C_MEMS_dn表示当MEMS可变电容器11设定在向下状态时的可变电容元件C_MEMS1或C_MEMS2的电容。C_BT表示开关电路12的升压电容器的电容。C_PAEA表示寄生电容。

图8是示出向上状态中的电压变化ΔV_up和向下状态中的电压变化ΔV_dn的曲线图。图8的横坐标表示电压Vhold（V），并且纵坐标表示电压变化ΔV。图8中的编号（1）至（3）对应于以上表格中的编号。

如从图8中所理解的，在ΔV_up与ΔV_dn之间的差值在三种条件（1）至（3）中的任意一种情况下变得较大。因此，在电荷检测操作中可以确定MEMS可变电容器11的向上状态和向下状态。

图9是示出向上状态中的电压变化ΔV_up与向下状态中的电压变化ΔV_dn之间的电势差δV的曲线图。图9的横坐标表示电压Vhold（V），并且纵坐标表示电势差δV（V）。电势差δV由以下的方程式表示：

δV=ΔV_up-ΔV_dn

如从图9中所理解的，电势差δV在三种条件（1）至（3）中的任意一种情况下变得较大。

[5-2]操作2：

然后，解释当驱动MEMS可变电容器11时在下电极43与上电极45之间施加从下电极43作用到上电极45的电场（向下电场）的实例。

通过反转在前述的操作1中的开关电路12和13的操作可以实现施加向上电场以将MEMS可变电容器11设定在向下状态的操作。

下文解释在向上施加电场时的电荷检测操作的实例。图10是示出电荷检测操作时的电压关系的时序图。

首先，MEMS可变电容器11设定在向下状态。此时，开关电路12将上电极45的电势设定为0V。这是通过使开关电路12的NMOSFET 23导通实现的。此外，开关电路13在将电压Vact施加到下电极43和44之后将下电极43和44的电势设定为电压Vhold。结果，MEMS可变电容器11设定在向下状态。

随后，控制电路19使NMOSFET 36导通，并且将固定电压VA施加到上电极45。同样地，控制电路19也将固定电压VA施加到参考电压生成电路31。此外，控制电路19使NMOSFET 37和38导通，并且将电压“VA+Vmon”施加到下电极43和44。通过电压生成电路16生成固定电压VA。固定电压VA基本上设定为与监视电压Vmon相同的电压。结果，在电荷检测中的操作点可以设定为与施加向上电场的情况下的点相同的点。如果所述操作点不需要设定为所述相同点，则VA可以设定为0V。

然后，控制电路19使开关电路13的NMOSFET 21导通，并且将电压Vhold施加到下电极43和44。此外，控制电路19关断开关电路12的NMOSFET 22和24，以使开关电路12的节点N2浮置。使开关电路12的节点N2浮置的原因是为了抑制开关电路12的升压电容器C_BT带来的影响。

此时，如果MEMS可变电容器11设定在向下状态（dn），则上电极45的电压极大地上升，并且如果MEMS可变电容器11设定在向上状态（up），则上电极45的电压轻微地上升。就是说，如果向上状态中的电压变化是ΔV_up，向下状态中的电压变化是ΔV_dn，则设定了ΔV_up<ΔV_dn的关系。

ΔV_up由以下的方程式（3）表示：

$(C_J\&equiv;\frac{C_{\mathrm{BT}}{C}_{\mathrm{junc}}}{C_{\mathrm{BT}}+C_{\mathrm{junc}}}<<C_{\mathrm{para}})$

ΔV_dn由以下的方程式（4）表示：

符号“≡”指的是定义。符号“<<”指的是一侧远远大于另一侧。C_junc表示MOSFET的结电容。

通过使NMOFET33导通从参考电压生成电路31向比较器32的第一输入端施加参考电压Vref。由于参考电压生成电路31执行与开关电路12和13的操作相同的操作，参考电压Vref设定为“VA+ΔV_up”与“VA+ΔV_dn”之间的中间电压。比较器32比较上电极45的电压（节点N1的电压）与参考电压Vref。基于比较结果，在上电极45与下电极43和44之间施加监视电压Vmon的同时可以确定MEMS可变电容器11是否设定在向上状态或向下状态。将确定结果传输到控制电路19。当驱动MEMS可变电容器11时，控制电路19基于上述确定结果确定在上电极与下电极之间的电场方向。

（实施例）

下文解释根据该实施例的操作2的半导体器件10的实验结果。在测量半导体器件10的实验结果中使用的参数的编号与在以上表格中所用的编号相同。

图11是示出在向上状态中的电压变化ΔV_up和在向下状态中的电压变化ΔV_dn的曲线图。图11的横坐标表示电压Vhold（V），并且纵坐标表示电压变化ΔV。图11中的编号（1）至（3）对应于上表中的编号。

如从图11中所理解的，在ΔV_up与ΔV_dn之间的差值在三种条件（1）至（3）中的任意一种条件下变得较大。因此，在电荷检测操作中可以确定MEMS可变电容器11的向上状态和向下状态。

图12是示出在向上状态中的电压变化ΔV_up与在向下状态中的电压变化ΔV_dn之间的电势差δV的曲线图。图12的横坐标表示电压Vhold（V），并且纵坐标表示电势差δV（V）。电势差δV由以下的方程式表示：

δV=ΔV_up-ΔV_dn

如从图12中所理解的，电势差δV在三种条件（1）至（3）中的任意一种条件下变得较大。

[6]其他结构实例：

图13是示出半导体器件10的另一实例的框图。半导体器件10包括n（n为大于1的自然数）个模块（bank）BK1至BKn。每一模块BK与图1的电路相同。多个模块BK共同使用电荷泵14、电压生成电路16和控制电路19。同样地，在具有上述模块结构的半导体器件10中，每一模块可以执行如前所述的操作。

此外，如图14所示，多个模块可以共同使用包含在电荷检测电路15中的参考电压生成电路31。在具有上述模块结构的半导体器件10中，每一模块可以执行如前所述的操作。

[7]效果：

如上文具体说明的，在本实施例中，半导体器件10包括静电致动器11和电荷检测电路15，所述静电致动器11包括上电极45、下电极43（或44）和设置在上述电极之间的绝缘膜46，所述电荷检测电路15检测存储在绝缘膜46中的电荷量。电荷检测电路15连接到上电极45和下电极43中的具有较小寄生电容的一个（在本实施例中是上电极45）。在用于向下地施加电场的第一电荷检测操作中，在将监视电压Vmon施加到上电极45的同时将电压Vhold施加到升压电容器C_BT的一端以提升上电极45的电压。在施加监视电压Vmon的同时通过由电荷检测电路15检测此时上电极45的电压变化来确定静电致动器11是设定在向上状态还是向下状态。

然后，在用于向上地施加电场的第二电荷检测操作中，在将监视电压Vmon施加到下电极43之后，将电压Vhold施加到下电极43，并且使开关电路12的节点浮置。在施加监视电压Vmon的同时通过由电荷检测电路15检测此时上电极45的电压变化来确定静电致动器11是设定在向上状态还是向下状态。

因此，根据该实施例，可以确定存储在绝缘膜46中的电荷量是否不小于阈值。当电荷量大于或等于阈值时，可以通过改变上电极45与下电极43之间的电场方向来抑制由充电导致的粘滞缺陷。结果可以增强静电致动器11的可靠性。

特别地，根据本实施例的电荷检测方法，即使在将大的寄生电容器添加到静电致动器11的下电极43和44时，也可以增加上电极45的电压变化。因此，可以准确地确定存储在绝缘膜46中的电荷量是否不小于阈值。结果，可以增强静电致动器11的可靠性。

虽然已经描述了特定实施例，但仅仅是通过举例的方式提供这些实施例，而并不旨在限定本发明的保护范围。事实上，本文描述的新颖的实施例可以以各种其他形式实现；此外，在不脱离本发明的精神的情况下，在本文描述的实施例的形式方面可以进行各种省略、替代和改变。所附权利要求及其等同形式意在覆盖将落入本发明的保护范围和精神内的这些形式或修改。

Claims (20)

1.一种半导体器件，包括：

静电致动器，包括第一和第二下电极，所述第一和第二下电极上方通过锚状物支撑的且配置为向下移动的上电极，以及所述上电极与所述第一和第二下电极之间提供的绝缘膜，所述第一下电极和上电极构成第一可变电容元件，所述第二下电极和上电极构成第二可变电容元件；

第一固定电容元件，连接到所述第一下电极；

第二固定电容元件，连接到所述第二下电极；以及

检测电路，连接到所述上电极并且配置为检测存储在所述绝缘膜中的电荷量。

2.根据权利要求1所述的器件，进一步包括：

驱动电路，包括升压电容器，所述升压电容器的第一电极连接到所述上电极，所述驱动电路配置为在所述下电极与所述上电极之间施加向下的电场以向下驱动所述上电极且将所述静电致动器设定在向下状态；

电压生成电路，配置为生成监视电压，该监视电压用于确定存储在所述绝缘膜中的所述电荷量是否不小于阈值；以及

控制电路，配置为在所述静电致动器保持在所述向下状态的同时，在将所述监视电压施加到所述上电极之后将第一电压施加到所述升压电容器的第二电极，

其中，在将所述第一电压施加到所述升压电容器的所述第二电极时，所述检测电路检测所述上电极的电压变化的程度。

3.根据权利要求2所述的器件，其中，当所述电荷量不小于所述阈值时所述静电致动器设定在所述向下状态，并且当所述电荷量小于所述阈值时所述静电致动器设定在所述向上状态。

4.根据权利要求3所述的器件，其中，所述向上状态中的所述电压变化大于所述向下状态中的所述电压变化。

5.根据权利要求2所述的器件，其中，当所述电荷量不小于所述阈值时，所述控制电路改变在所述下电极与所述上电极之间的电场方向。

6.根据权利要求1所述的器件，进一步包括：

驱动电路，配置为在所述下电极与所述上电极之间施加向上的电场以向下驱动所述上电极且将所述静电致动器设定在向下状态；

电压生成电路，配置为生成监视电压，该监视电压用于确定存储在所述绝缘膜中的所述电荷量是否不小于阈值；以及

控制电路，配置为在所述静电致动器保持在向下状态的同时，在将所述监视电压施加到所述下电极之后将第一电压施加到所述下电极，

其中，在将所述第一电压施加到所述下电极时，所述检测电路检测所述上电极的电压变化的程度。

7.根据权利要求6所述的器件，其中，当所述电荷量不小于所述阈值时所述静电致动器设定在所述向下状态，并且当所述电荷量小于所述阈值时所述静电致动器设定在所述向上状态。

8.根据权利要求7所述的器件，其中，所述向上状态中的所述电压变化小于所述向下状态中的所述电压变化。

9.根据权利要求6所述的器件，其中，当所述电荷量不小于所述阈值时，所述控制电路改变在所述下电极与所述上电极之间的电场方向。

10.一种半导体器件，包括：

静电致动器，包括下电极，所述下电极上方通过锚状物支撑的且配置为向下移动的上电极，以及在所述上电极与所述下电极之间提供的绝缘膜；以及

检测电路，连接到所述下电极和所述上电极中的具有较小寄生电容的一个，并且用于检测存储在所述绝缘膜中的电荷量。

11.根据权利要求10所述的器件，进一步包括：

驱动电路，包括升压电容器，所述升压电容器的第一电极连接到所述上电极，所述驱动电路配置为在所述下电极与所述上电极之间施加向下的电场以向下驱动所述上电极且将所述静电致动器设定在向下状态；

电压生成电路，配置为生成监视电压，该监视电压用于确定存储在所述绝缘膜中的所述电荷量是否不小于阈值；以及

控制电路，配置为在所述静电致动器保持在所述向下状态的同时，在将所述监视电压施加到所述上电极之后将第一电压施加到所述升压电容器的第二电极，

其中，在将所述第一电压施加到所述升压电容器的所述第二电极时，所述检测电路检测所述上电极的电压变化的程度。

12.根据权利要求11所述的器件，其中，当所述电荷量不小于所述阈值时所述静电致动器设定在所述向下状态，并且当所述电荷量小于所述阈值时所述静电致动器设定在所述向上状态。

13.根据权利要求11所述的器件，其中，当所述电荷量不小于所述阈值时，所述控制电路改变所述下电极与所述上电极之间的电场方向。

14.根据权利要求10所述的器件，进一步包括：

驱动电路，配置为在所述下电极与所述上电极之间施加向上的电场以向下驱动所述上电极且将所述静电致动器设定在向下状态；

电压生成电路，配置为生成监视电压，该监视电压用于确定存储在所述绝缘膜中的所述电荷量是否不小于阈值；以及

控制电路，配置为在所述静电致动器保持在向下状态的同时，在将所述监视电压施加到所述下电极之后将第一电压施加到所述下电极，

其中在施加所述第一电压时，所述检测电路检测所述上电极的电压变化的程度。

15.根据权利要求14所述的器件，其中，当所述电荷量不小于所述阈值时所述静电致动器设定在所述向下状态，并且当所述电荷量小于所述阈值时所述静电致动器设定在所述向上状态。

16.根据权利要求14所述的器件，其中，当所述电荷量不小于所述阈值时，所述控制电路改变所述下电极与所述上电极之间的电场方向。

17.一种静电致动器的驱动方法，所述静电致动器包括下电极，所述下电极上方通过锚状物支撑的且配置为向下移动的上电极，以及所述下电极与所述上电极之间提供的绝缘膜，所述方法包括：

在所述下电极与所述上电极之间施加向下的电场，

向下驱动所述上电极以将所述静电致动器设定在向下状态，

将监视电压施加到所述上电极以确定存储在所述绝缘膜中的电荷量是否不小于阈值，

将第一电压施加到升压电容器的第二电极，所述升压电容器的第一电极连接到所述上电极，以及

检测所述上电极的电压变化的程度。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：

将所述电压变化与参考值进行比较；以及

当所述电压变化大于所述参考值时，确定所述电荷量不小于所述阈值。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：

当所述电荷不小于所述阈值时，改变在所述下电极与所述上电极之间的电场方向。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，当所述电荷不小于所述阈值时所述静电致动器设定在所述向下状态，并且当所述电荷小于所述阈值时所述静电致动器设定在所述向上状态。

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