CN104395979B - Mems寿命增加 - Google Patents

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Abstract

本发明通常涉及通过减少MEMS装置中切换元件的移动次数来增加MEMS装置的寿命的方法。如果两个周期需要相同的电容，则切换元件可以保持相同状态，而不是在周期之间回到接地状态。例如，如果在第一和第二周期中，MEMS装置的切换元件都处于高电容状态，则切换元件可以在第一和第二周期之间保持在原处，而不是移动到接地状态。即使在连续周期中电容的极性不同，切换元件也可以保持在原处，并且极性可以切换。因为切换元件在周期之间保持在原处，所以切换元件虽然具有同样有限的移动次数，但应具有较长的寿命。

Description

MEMS寿命增加
技术领域
本发明的实施方案通常涉及增加微机电系统(MEMS)装置的寿命。
背景技术
使用MEMS技术的数字可变电容器(DVC)通过使MEMS装置的切换元件在高电容状态和低电容状态之间移动来操作。在高电容状态下，切换元件在与RF电极相邻的位置。在低电容状态下，切换元件在与RF电极间隔开的另一个电极相邻的位置，或更具体地远离布置在RF电极上的绝缘层的位置。还可以将切换元件移动为接地，由此切换元件与RF电极或其他电极都不相邻。
在MEMS装置的寿命期间，切换元件在各种状态(即高电容、低电容和接地)之间循环。对于一个周期，切换元件从接地状态移动到高电容状态或低电容状态。在完成一个周期之后和下一个周期之前，切换元件回到接地状态。于是，新的周期开始，由此切换元件移动到高电容状态或低电容状态，或者保持接地状态。
由于切换元件的结构完整性，在MEMS装置失效之前切换元件仅可以移动有限的次数。随着切换元件的每次移动，MEMS装置更接近失效。在本领域中需要增加DVC中的MEMS装置的寿命。
发明内容
本发明通常涉及用于通过减少MEMS装置中切换元件的移动次数来增加MEMS装置的寿命的方法。如果两个周期需要相同的电容，则切换元件可以保持在相同状态，而不是在周期之间回到接地状态。例如，如果在第一和第二周期中，MEMS装置的切换元件都处于高电容状态，则切换元 件可以在第一和第二周期之间保持在原处，而不是移动到接地状态。即使在连续周期中电容的极性不同，切换元件也可以保持在原处，并且极性可以切换。因为切换元件在周期之间保持在原处，所以切换元件虽然具有同样有限的移动次数，但应该具有较长的寿命。
在一个实施方案中，公开了一种操作DVC的方法。该DVC具有多个MEMS装置，所述多个MEMS装置每个都具有切换元件。所述方法包括第一切换过程和第二切换过程。第一切换过程包括将多个MEMS装置中的第一MEMS装置切换到第一电容状态。该切换包括将第一偏压施加到第一MEMS装置的第一电极以使第一MEMS装置的切换元件从电接地的第一位置移动到与第一MEMS装置的第二电极相邻的第二位置。第一切换过程还包括将多个MEMS装置中的第二MEMS装置切换到第二电容状态。该切换包括将第二偏压施加到第二MEMS装置的第一电极以使第二MEMS装置的切换元件从电接地的第三位置移动到与第二MEMS装置的第二电极相邻的第四位置。切换第二MEMS装置与切换第一MEMS装置同时发生。第二切换过程包括将第一MEMS装置切换到接地状态。该切换包括移除第一偏压以允许切换元件返回到第一位置。第二切换过程还包括在第二MEMS装置的第一电极上保持第二偏压以在第一MEMS装置返回到第一位置时使第二MEMS装置的切换元件保持在第三位置。
在另一实施方案中，公开了一种操作DVC的方法。该DVC具有多个MEMS装置，所述多个MEMS装置每个都具有切换元件。该方法包括：将第一偏压施加到第一电极以使每个切换元件都移动到与RF电极相邻的第一位置；将第二偏压施加到第二电极以使每个切换元件都移动到与RF电极间隔开的第二位置；和将第三偏压施加到第一电极以使并非全部的切换元件移动到与RF电极相邻的第一位置。
在另一实施方案中，公开了一种操作DVC的方法。该DVC具有多个MEMS装置，所述多个MEMS装置每个都具有第一电极、第二电极和切换元件。该方法包括：将第一偏压施加到第一MEMS装置的第一电极以使第一MEMS装置的切换元件移动到与第一MEMS装置的第一电极相邻的第一位置；移除第一偏压以允许第一MEMS装置的切换元件移动到与第一MEMS装置的第一电极间隔第一距离的第二位置；将第二偏压施加到第一 MEMS装置的第二电极以使第一MEMS装置的切换元件移动到与第一MEMS装置的第二电极相邻的第三位置；将第三偏压施加到第二MEMS装置的第一电极以使第二MEMS装置的切换元件移动到与第一MEMS装置的第一电极相邻的第一位置；和在将第三偏压施加到第二MEMS装置的第一电极时保持第二电极上的第二偏压以使切换元件保持在第三位置。
附图说明
通过参照其中一些在附图中示出的实施方案，可以得到以上简要概括的本发明的更具体的说明，使得可以更详细地理解本发明的上述特征。然而，应注意的是，附图仅说明了本发明的典型实施方案，并且因此不应认为限制了本发明的范围，这是因为本发明会承认其他同样有效的实施方案。
图1A示出了根据一个实施方案处于接地状态的MEMS装置。
图1B示出了根据一个实施方案处于低电容状态的MEMS装置。
图1C示出了根据一个实施方案处于高电容状态的图1A和图1B的MEMS装置。
图2是MEMS切换控制的框图。
为了便于理解，在可能的地方，相同的附图标记已经用于表示对于附图而言共同的相同要素。可以预期的是，在一个实施方案中公开的要素可以有利地用在其他实施方案中，而不用特别说明。
具体实施方式
本发明通常涉及用于通过减少MEMS装置中的切换元件的移动次数来增加MEMS装置的寿命的方法。如果两个周期需要相同的电容，则切换元件可以保持相同状态，而不是在周期之间回到接地状态。例如，如果在第一和第二周期中，MEMS装置的切换元件都处于高电容状态，则切换元件可以在第一和第二周期之间保持在原处，而不是移动到接地状态。即使在连续周期中电容的极性不同，切换元件也可以保持在原处，并且极性也 可以被切换。因为切换元件在周期之间保持在原处，所以虽然其具有相同的有限的移动次数，但应该具有较长的寿命。
图1A示出了根据一个实施方案处于接地状态的MEMS装置100。MEMS装置包括衬底102，其具有在其中形成的多个电极104A-104E。两个电极104B、104D被称为“拉入”电极，这是因为电极104B、104D用于将切换元件108拉向电极104C。电极104C为RF电极。电极104A、104E通过填充有导电材料110的通路孔来向切换元件108提供接地连接。电绝缘层106形成在电极104B-104D上。在一个实施方案中，绝缘层106可以包含二氧化硅、氮化硅或其组合。
切换元件108可以包含导电材料，例如氮化钛。在一个实施方案中，氮化钛可以涂有电绝缘材料的薄层。切换元件108示出为具有通过一个或更多个柱116连接的底层112和顶层114。应理解的是，还预期切换元件108具有其他布置。另外，应理解的是，预期切换元件108的顶层114和底层112包含在其上具有电绝缘材料薄层的氮化钛，但是还预期其他材料。切换元件108布置在腔118之内，并且其在腔118内在低电容、高电容以及接地状态之间是可移动的。
在切换元件上方，存在另一个电极120，有时被称为“拉起”或“拉出”电极。电绝缘材料的薄层122布置在电极120和腔118之间，使得层122限定腔118。腔118以包封腔118的覆盖层124密封。
图1B示出了根据一个实施方案处于低电容状态的MEMS装置100。在图1B中，电极120用于将切换元件108拉动到与绝缘层122接触，绝缘层122离RF电极104C的距离与切换元件108在腔118内可以距离RF电极104C的最大距离相同。通过将偏压施加到拉起电极120，切换元件108被拉起到与绝缘层122接触。
图1C示出了根据一个实施方案处于高电容状态的MEMS装置100。通过将偏压施加到拉入电极104B、104D，切换元件108下拉到与绝缘层106接触并且与RF电极104C相邻。
如果当切换元件108处于低电容状态且切换元件108与RF电极104C的距离为2d时，绝缘层122在拉起电极120和切换元件108之间的厚度为 t，则当时(其中εr为顶部氧化物的相对介电常数，其会大于1)，拉起电极120上的电压Vtop会提供比施加到RF电极104C的电压VRF大的静电拉起力。如果t＝d/2，那么当电极120的面积(Atop)＝RF电极104C的面积(ARF)时，VRF会需要至少为Vtop的16倍以将悬臂向下拉回。在大多数情况下，拉起面积还更大，这是因为其覆盖腔118的整个顶部并且因此覆盖切换元件108的大部分，在这种情况下将切换元件108向下拉回所需的RF电压甚至会更大。
MEMS DVC使用全开(即每个MEMS装置都处于高电容状态，Cmax)或全关(即每个MEMS装置都处于低电容状态，Cmin)地操作的数个小型固定电容器。通过以二进制加权的方式使用这些MEMS装置的组合可以获得各种电容水平。MEMS装置的最小集合被认为是最低有效位(LSB)，并且切换元件的最大集合为最高有效位(MSB)。可以创建总数为2n的电容水平，其中n为总位数。
电容器阵列从一个电容状态到下一个的转换包括改变一些或全部的位。在操作期间，不是全部的位会在转换期间改变。换言之，在第一周期，MEMS装置中的一些会处于高电容状态，而其他的处于低电容状态或接地状态。在第二周期，处于高电容状态的MEMS装置中的一些会再次处于高电容状态，而其他MEMS装置会处于不同的状态。当移动到周期2时，数字逻辑记录第一周期中特定的位是保持状态还是改变状态(即低或高电容状态)。通过仅改变达到周期2的期望状态所需的位，无改变的位保持不变，并且由此不累积寿命周期。在统计上，该新方法会使位周期的总数减小至在MEMS装置的寿命期间的状态改变总数的1/2。
有两种要素用于实施概念：按位控制MEMS装置和有限状态机(FSM)，所述有限状态机控制MEMS装置的切换。有四种与MEMS切换控制FSM有关的因素。一种因素是对于最早的电容值命令FSM会设置为负极性的初始条件。第二因素是特殊情况(例如关机或待机模式)，这时FSM会将全 部的MEMS装置复位到接地状态使得MEMS装置处于自由状态。第三因素发生在DVC操作期间，由此，如果通常被称为位值的电容值对于两个连续的周期是相同的，则FSM会保留数据(即FSM会保持当前状态)。第四因素发生在DVC操作期间，由此，如果电容值在n+2个周期中变回相同的值，那么MEMS电极的极性会反转。
图2是示出了MEMS切换控制FSM的框图。Di是来自撞击(bump)/平板的输入信号。输入信号会到拉入电极104B、104D或到拉出电极120。Do是为MEMS装置100驱动数据位的输出信号。输出信号来自RF电极104C。SD为先行切换决策块。决策块以基于之前的电容值(即在周期1结束时MEMS装置100所处的状态)和电容值(即周期2的MEMS装置100所处的状态)两者的决策为基础。决策块确定是保持数据(即使MEMS装置100的切换元件108保持在相同位置)还是切换数据(即移动切换元件108)。极性为转换基于当前周期(即周期1)和即将到来周期(周期2)的数据的极性的块。设置极性块为确定极性(即负的或正的)的初始值的块。数据块为MEMS装置100的数据驱动器。待机(即STBY)模式期间，数据会复位至接地(即GND)，使得MEMS装置100处于自由状态。
现在会对说明具有切换控制FSM的MEMS的操作的几个实施例进行描述。
实施例1
在周期1中，MEMS装置100处于高电容状态。在高电容状态，拉入电极104B、104D具有对其施加的负偏压，并且拉出电极120处于地电位。在周期2中，MEMS装置100会处于接地状态或待机状态。在接地或待机状态，拉入电极104B、104D和拉出电极120都会处于地电位。在周期3中，当将正偏压施加到拉入电极104B、104D并且拉出电极120处于地电位时，MEMS装置100会处于高电容状态。在周期4中，当将正偏压施加到拉入电极104B、104D并且拉出电极120处于地电位时，MEMS装置100会处于高电容状态。习惯上，在周期之间，切换元件108会从高电容状态移动到接地状态。于是，当下个周期开始时，切换元件108会移动(假定该周期需要电容)。因此，在实施例1中，即使切换元件108在周期3和周期4中都会处于高电容状态并且处于相同极性，在传统操作下切换元件108 也会习惯上在周期之间移动到接地状态。然而，此处，因为对于两个周期切换元件108都会在相同位置，所以在周期3和周期4之间切换控制FSM会使切换元件108保持在原处。通过在周期之间不移动切换元件108，切换元件避免了移动离开RF电极104C然后回到与RF电极104C相邻的位置。由此，切换周期FSM节省了切换元件108的两次移动，这会增加MEMS装置100的寿命。
实施例2
在周期1中，MEMS装置100处于低电容状态。在低电容状态，拉出电极120具有对其施加的负偏压，并且拉入电极104B、104D处于地电位。在周期2中，MEMS装置100会处于接地状态或待机状态。在接地状态或待机状态，拉入电极104B、104D和拉出电极120都会处于地电位。在周期3中，当将正偏压施加到拉出电极120并且拉入电极104B、104D处于地电位时，MEMS装置100会处于低电容状态。在周期4中，当将正偏压施加到拉出电极120并且拉入电极104B、104D处于地电位时，MEMS装置100会处于低电容状态。习惯上，在周期之间，切换元件108会从低电容状态移动到接地状态。于是，当下个周期开始时，切换元件108会移动(假定该周期需要电容)。因此，在实施例2中，即使切换元件108在周期3和周期4中都会处于低电容状态并且处于相同极性，切换元件108也会习惯上在周期之间移动到接地状态。然而，此处，因为对于两个周期切换元件108都会在相同位置，所以在周期3和周期4之间切换控制FSM会使切换元件108保持在原处。通过在周期之间不移动切换元件108，切换元件108避免了移动离开拉出电极120然后回到与拉出电极120相邻的位置。由此，切换周期FSM节省了切换元件108的两次移动，这会增加MEMS装置100的寿命。
实施例3
在周期1中，MEMS装置100处于高电容状态。在高电容状态，拉入电极104B、104D具有对其施加的负偏压，并且拉出电极120处于地电位。在周期2中，MEMS装置100会处于接地或待机状态。在接地或待机状态，拉入电极104B、104D和拉出电极120都会处于地电位。在周期3中，当将负偏压施加到拉出电极120并且拉入电极104B、104D处于地电位时， MEMS装置100会处于低电容状态。在周期4中，当将正偏压施加到拉入电极104B、104D并且拉出电极120处于地电位时，MEMS装置100会处于高电容状态。因为对于每个周期切换元件108都会需要进行移动，所以切换周期FSM会与传统切换相似地操作，因此MEMS装置100的寿命不会增加。
实施例4
在周期1中，MEMS装置100处于低电容状态。在低电容状态，拉出电极120具有对其施加的负偏压，并且拉入电极104B、104D处于地电位。在周期2中，MEMS装置100会处于接地或待机状态。在接地或待机状态，拉入电极104B、104D和拉出电极120会处于地电位。在周期3中，当将负偏压施加到拉入电极104B、104D并且拉出电极120处于地电位时，MEMS装置100会处于高电容状态。在周期4中，当将正偏压施加到拉出电极120并且拉入电极104B、104D处于地电位时，MEMS装置100会处于低电容状态。因为对于每个周期切换元件108都会需要进行移动，所以切换周期FSM会与传统切换相似地操作，因此MEMS装置100的寿命不会增加。
实施例5
在周期1中，MEMS装置100处于高电容状态。在高电容状态，拉入电极104B、104D具有对其施加的负偏压，并且拉出电极120处于地电位。在周期2中，当将负偏压施加到拉出电极120并且拉入电极104B、104D处于地电位时，MEMS装置100会处于低电容状态。在周期3中，当将正偏压施加到拉入电极104B、104D并且拉出电极120处于地电位时，MEMS装置100会处于高电容状态。在周期4中，当将正偏压施加到拉出电极120并且拉入电极104B、104D处于地电位时，MEMS装置100会处于低电容状态。因为对于每个周期切换元件108都会需要进行移动，所以切换周期FSM会与传统切换相似地操作，因此MEMS装置100的寿命不会增加。
实施例6
在周期1中，MEMS装置100处于低电容状态。在低电容状态，拉出电极120具有对其施加的负偏压，并且拉入电极104B、104D处于地电位。 在周期2中，MEMS装置100处于高电容状态。在高电容状态，拉入电极104B、104D具有对其施加的负偏压，并且拉出电极120处于地电位。在周期3中，当将正偏压施加到拉出电极120并且拉入电极104B、104D处于地电位时，MEMS装置100会处于低电容状态。在周期4中，当将正偏压施加到拉入电极104B、104D并且拉出电极120处于地电位时，MEMS装置100会处于高电容状态。因为对于每个周期切换元件108都会需要进行移动，所以切换周期FSM会与传统切换相似地操作，因此MEMS装置100的寿命不会增加。
已经参照单个MEMS装置描述了以上实施例。然而，本文中描述的实施方案适用于使用多个MEMS装置的DVC。在DVC的操作中，一些MEMS装置会处于高电容状态，而其他的会处于低电容状态或接地状态。另外，MEMS装置中的一些会具有施加到拉出或拉入电极的正偏压，而其他MEMS装置会具有施加到拉出或拉入电极的负偏压。因此，以上实施例可以应用于具有多个MEMS装置的DVC内的每个单独的MEMS装置。
每个MEMS装置都可以在DVC中独立地控制。因此，每个MEMS装置都可以在不同的电容状态下操作，并且MEMS装置的拉入电极和拉出电极可以操作使得施加到电极的偏压的极性可以是正的或负的。换言之，单个MEMS装置可以通过向拉入电极施加正的或负的偏压来在高电容状态下操作，并且在不同周期中高电容状态的极性可能不同。类似地，MEMS装置可以通过向拉出电极施加正的或负的偏压来在低电容状态下操作，并且不同周期中地电容状态的极性可能不同。
另外，通过移动非全部的MEMS装置，DVC可以以不同电容水平操作。例如，如果多个MEMS装置共享共有的拉入电极、共有的RF电极和共有的拉出电极，则改变施加到拉入电极或拉出电极的偏压会改变移动的切换元件的数量。无论极性如何，施加的偏压越大，越多的切换元件会移动。如果施加了较小的偏压，则较少的切换元件会移动。
通过认定在连续周期中相同的电容状态会应用于MEMS装置，MEMS装置的切换元件在周期之间会保持在相同位置，而不用移动到接地位置。因为切换元件在周期之间不移动，所以切换元件保留两次移动(即移动到接地位置和移动回电容状态位置)。这些保留的移动通过两次移动增加了 MEMS装置的寿命。人们可以容易地看出，将这种策略应用于DVC中的全部MEMS装置可以节省数百万次移动，由此延长DVC的寿命。
虽然前述内容针对本发明的实施方案，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以设计本发明的其他和另外的实施方案，其范围由所附权利要求确定。

Claims (20)

1.一种操作数字可变电容器的方法，所述数字可变电容器具有多个MEMS装置，所述多个MEMS装置每个都具有切换元件，所述方法包括：
第一切换过程，其包括：
将所述多个MEMS装置的第一MEMS装置切换到第一电容状态，所述切换包括：将第一偏压施加到所述第一MEMS装置的第一电极以使所述第一MEMS装置的切换元件从电接地的第一位置移动到与所述第一MEMS装置的第二电极相邻的第二位置；和
将所述多个MEMS装置的第二MEMS装置切换到第二电容状态，所述切换包括：将第二偏压施加到所述第二MEMS装置的第一电极以使所述第二MEMS装置的切换元件从电接地的第三位置移动到与所述MEMS装置的第二电极相邻的第四位置，切换所述第二MEMS装置与切换所述第一MEMS装置同时发生；和
第二切换过程，其包括：
将所述第一MEMS装置切换到接地状态，所述切换包括移除所述第一偏压以允许所述切换元件返回到所述第一位置；和
在所述第二MEMS装置的第一电极上保持第二偏压以在所述第一MEMS装置返回到所述第一位置时使所述第二MEMS装置的切换元件保持在所述第四位置，其中，在所述第二MEMS装置的第一电极上保持第二偏压以通过减少周期之间的移动来增加所述第二MEMS装置的寿命。
2.权利要求1所述的方法，其中所述第一电容状态和所述第二电容状态是相同的。
3.权利要求2所述的方法，其中所述第一偏压和所述第二偏压具有相同的极性。
4.权利要求2所述的方法，其中所述第一偏压和所述第二偏压具有相反的极性。
5.权利要求1所述的方法，其中所述第一电容状态和所述第二电容状态是不同的。
6.权利要求5所述的方法，其中所述第一偏压和所述第二偏压具有相同的极性。
7.权利要求5所述的方法，其中所述第一偏压和所述第二偏压具有相反的极性。
8.权利要求1所述的方法，其中所述第一切换过程还包括：使第三MEMS装置保持在电接地的第五位置，所述保持与切换所述第一MEMS装置和切换所述第二MEMS装置同时发生。
9.权利要求8所述的方法，其中所述第二切换过程还包括通过以下步骤将所述第三MEMS装置切换到第三电容状态：将第三偏压施加到所述第三MEMS装置的第一电极以使所述第三MEMS装置的切换元件从所述第五位置移动到与所述第三MEMS装置的第二电极相邻的第六位置。
10.权利要求9所述的方法，其中所述第三电容状态和所述第一电容状态是不同的。
11.权利要求10所述的方法，其中所述第二电容状态和所述第三电容状态是相同的。
12.权利要求11所述的方法，其中所述第二偏压和所述第三偏压具有相反的极性。
13.一种操作数字可变电容器的方法，所述数字可变电容器具有多个MEMS装置，所述多个MEMS装置每个都具有切换元件，所述方法包括：
将第一偏压施加到第一电极以使每个切换元件都移动到与RF电极相邻的第一位置；
将第二偏压施加到第二电极以使每个切换元件都移动到与所述RF电极间隔开的第二位置；和
将第三偏压施加到所述第一电极以使并非全部的切换元件移动到与所述RF电极相邻的第一位置，其中，施加第三偏压以通过减少周期之间的移动来增加维持在第二位置中的切换元件的寿命。
14.权利要求13所述的方法，其中所述第一偏压大于所述第三偏压。
15.权利要求14所述的方法，其中，所述数字可变电容器在全部切换元件在所述第一位置时具有第一电容，在全部切换元件在所述第二位置时具有第二电容，和在施加所述第三偏压时具有第三电容，并且其中，所述第一电容大于所述第二电容和所述第三电容。
16.权利要求15所述的方法，其还包括在施加所述第二偏压时移除所述第一偏压。
17.权利要求16所述的方法，其还包括在施加所述第三偏压时移除所述第二偏压。
18.一种操作数字可变电容器的方法，所述数字可变电容器具有多个MEMS装置，所述多个MEMS装置每个都具有第一电极、第二电极和切换元件，所述方法包括：
将第一偏压施加到第一MEMS装置的第一电极以使所述第一MEMS装置的切换元件移动到与所述第一MEMS装置的第一电极相邻的第一位置；
移除所述第一偏压以允许所述第一MEMS装置的切换元件移动到与所述第一MEMS装置的第一电极间隔第一距离的第二位置；
将第二偏压施加到所述第一MEMS装置的第二电极以使所述第一MEMS装置的切换元件移动到与所述第一MEMS装置的第二电极相邻的第三位置；
将第三偏压施加到第二MEMS装置的第一电极以使所述第二MEMS装置的切换元件移动到与所述第一MEMS装置的第一电极相邻的第一位置；和
在将所述第三偏压施加到所述第二MEMS装置的第一电极时保持所述第二电极上的第二偏压以使切换元件保持在所述第三位置，其中，在所述第二MEMS装置的第二电极上保持第二偏压以通过减少周期之间的移动来增加所述第二MEMS装置的寿命。
19.权利要求18所述的方法，其中所述第一偏压和所述第三偏压具有相同的极性。
20.权利要求18所述的方法，其中所述第一偏压和所述第三偏压具有相反的极性。
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