CN105228945B - 控制mems dvc控制波形以增加寿命的方法和技术 - Google Patents

控制mems dvc控制波形以增加寿命的方法和技术 Download PDF

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Abstract

本发明总体上涉及在使得MEMES器件在接触表面上的冲击最小化的同时操作MEMS DVC的方法。通过在MEMS器件的拉近移动时减小驱动电压，减小MEMS器件朝接触表面的加速，由此减小冲击速度，发生更少的MEMS DVC器件的损坏。

Description

控制MEMS DVC控制波形以增加寿命的方法和技术
背景技术
技术领域
本发明的实施例总体上涉及减少微机电系统(MEMS)器件中的开关的冲击的方法。
相关技术的描述
数字式可变电容器(DVC)以静电力操作。在该机制下，当电压V被施加在MEMS器件和控制电极之间时，力作用于可移动MEMS器件。该静电力与(V/gap)2成比例。机械反平衡力来自于弹性悬挂系统并且通常与位移线性成比例。结果是利用增大的电压V，MEMS器件朝着控制电极移动一定的距离δ。该移动使间隙减小，继而使静电力进一步增大。对于小电压来说，找到初始位置和电极之间的平衡位置。然而，当电压超过一定的阈值水平(即拉近电压)，器件的位移为使得静电力比机械反平衡力增大得更快的那些，并且器件朝着控制电极快速嵌入(snap-in)(即移动)直到其与接触表面接触。
如在图1中示意性示出的，一些DVC器件具有在可移动MEMS器件(即图1中的板)上的控制电极(即上拉电极或拉离电极或PU电极)和在可移动MEMS器件下的控制电极(下拉电极或拉近电极或PD电极)。此外，在可移动MEMS器件之下存在RF电极。在工作期间，MEMS器件被上拉或下拉至接触以向RF电极提供稳定的最小或最大电容。如此，从可移动器件到RF电极(其位于可移动器件之下)的电容能够从当被拉到底部(如图2所示)时的高电容Cmax变化到当被拉到顶部(如图3所示)时的低电容Cmin。
在生产中，由于制造容差(例如层厚度和应力水平)，MEMS器件会呈现拉近电压的变化。此外，一些MEMS器件要求向拉近电极施加超过拉近电压的一定的过电压，以提供稳定的电容。此外，CMOS控制器也会由于制造容差而呈现可用电压水平的一定变化。因此，施加到拉动电极的电压水平通常被如此设计以提供足够的裕度以应对制造容差。
如果非常快速地向拉近电极施加该高电压水平，则由于MEMS器件立即受到比拉近所需的静电力大得多的静电力，所以MEMS器件会非常快速地冲向拉近电极。这会导致从一开始MEMS器件向拉动电极的加速，并且产生导致损坏接触表面的高冲击速度。
因此，本领域中需要减少MEMS器件在接触表面上的冲击。
发明内容
本发明总体上涉及在使MEMES器件在接触表面上的冲击最小化的同时操作MEMSDVC的方法。通过在MEMS器件的拉近移动时减小驱动电压，减小MEMS器件朝接触表面的加速，并由此减小冲击速度以及产生更少的MEMS DVC器件的损坏。
在一个实施例中，操作MEMS DVC器件的方法包括：在第一时间段向电极施加第一电压；将第一电压增大到第二电压，其中，所述增大在第二时间段发生；将第二电压减小到第三电压，其中，所述减小在第三时间段发生；将第三电压增大到第四电压，其中，所述增大在第四时间段发生。
在另一实施例中，MEMS DVC器件包括：第一电极，其具有被布置在其上的第一介电层并且具有第一接触表面；第二电极，其具有被布置在其上的第二介电层并且具有第二接触表面；能够在第一接触表面和第二接触表面之间移动的MEMS器件；和第一电极电压驱动器，其耦合到第一电极或第二电极。第一电极电压控制器被配置为：在第一时间段向第一电极或第二电极施加第一电压；将第一电压增大到第二电压，其中，所述增大在第二时间段发生；将第二电压减小到第三电压，其中，所述减小在第三时间段发生；并且将第三电压增大到第四电压，其中，所述增大在第四时间段发生。
附图说明
因此以能够详细地理解本发明的上述特征的方式，可以参照实施例来获得上面简要总结的本发明的更具体的描述，所述实施例中的一些在附图中被图示。然而，应指出的是，附图仅图示了本发明的典型实施例，并且因此不应被认为限制本发明的范围，这是因为本发明可以允许其他等同有效的实施例。
图1是在独立状态下DVC的MEMS器件的示意性横截面图示。
图2是在Cmax状态下的、DVC的MEMS器件的示意性横截面图示。
图3是在Cmin状态下的、DVC的MEMS器件的示意性横截面图示。
图4示出了说明由快速电压斜升驱动的DVC器件的冲击速度的图表。
图5示出了说明由慢速电压斜升驱动的DVC器件的冲击速度的图表。
图6图示了使用摆率电阻器的电流饥饿型(current-starved)电压驱动器。
图7图示了具有摆率电流的电流饥饿型电压驱动器。
图8示出了图示由电流饥饿型电压驱动的DVC器件的冲击速度的图表。
图9是使用电流源的电路实现的示意图。
图10图示了根据一个实施例的HVSW设计。
图11图示了根据一个实施例的HVm3发生器。
为了便于理解，在可能的情况下使用相同的附图标记来指代为附图所共有的相同元素。应预期的是，在一个实施例中公开的元素在没有特别说明的情况下可以有益地用于其他实施例中。
具体实施方式
本发明总体上涉及在使MEMS器件在接触表面上的冲击最小化的同时操作MEMSDVC的方法。通过在MEMS器件的拉近移动时减小驱动电压，减小MEMS器件朝接触表面的加速，并且由此减小冲击速度以及发生更少的MEMS DVC器件的损坏。
与诸如硅或GaAs技术之类的其他成熟技术相比，MEMS DVC展现了优越的性能改进，但是由于各种问题仍然还没有广泛地用于许多应用中。一个问题在于MEMS寿命能够通过MEMS自身结构或者通过控制MEMS的波形来提高。通过向电极施加电压来使MEMS器件移动。施加的电压需要足够高以使MEMS器件移动。如果非常快速地向拉近电极施加高电压，那么由于MEMS器件立即受到比拉近所需的静电力大得多的静电力，因此MEMS器件会非常快速地冲向拉近电极。这会导致从一开始MEMS器件向拉电极的加速，并且产生导致损坏接触表面的高冲击速度。
这在图4中被示出，其中，通过Vbottom＝HV和Vtop＝0V的控制电压，MEMS DVC器件首先落在底部上。在t＝t0处，底部电压被释放，并且顶部电压Vtop(Vbottom＝0V，Vtop＝HV)被施加。器件立即向顶部加速直到碰撞顶部电极，在该处，所述器件以大约2m/s的初始冲击速度在t＝t1、t2、t3处跳动几次。对于MEMS器件来说，该冲击速度会导致接触表面的结构性损坏，这极大地影响寿命。
在图5中示出了具有稍微改进的一个电压驱动解决方案，其中，通过Vbottom＝HV和Vtop＝0V的控制电压，MEMS DVC器件同样首先落在底部上。在t＝t0处，底部电压被释放(Vbot＝0V)，并且顶部电压Vtop从0V缓慢斜升到HV(该附图的时间比例比图4的时间比例更大)。一旦器件从底部电极被释放，在顶部控制电压斜升的同时，所述器件自由地铃振(ring)。所述铃振消逝的速率取决于MEMS器件的与空腔内部压力(压膜阻尼)和MEMS器件自身内部的损耗相关的Q。当电压已经达到所需的拉近电压水平时，在t＝t1处，器件拉近到顶部电极。由于在该点处不存在很多的过驱动，因此冲击速度减小到大约0.6m/s。电压继续斜升并且在t＝t2处已经达到其最终值。虽然，控制方案在图4的快速电压驱动基础上已经得到了改进，但是该冲击速度仍是十分高的，并且能够导致接触表面的结构性损坏，这导致过早的寿命失效。
如本文中讨论的，在MEMS器件的拉近移动时减小驱动电压减小了MEMS器件向接触表面的加速度，并且由此减小了冲击速度。在MEMS器件的拉近移动时减小驱动电压的主要优点在于极大地提高MEMS的良品率和寿命。减小驱动电压使接触表面上的冲击损坏减少。在没有波形(即驱动电压的减小)的情况下，MEMS器件仅能够循环几百万个循环。在寿命增加波形的情况下，MEMS器件能够在没有器件性能损失的情况下循环几十亿个循环。另一个优点在于在控制线上的峰值电流减小，这减小了系统中的噪声并且对电路设计的功率分配施加不那么严格的要求。
如本文中讨论的，利用上述由慢速电压斜升驱动的方案的变化。除了慢速电压斜升之外，驱动电压在MEMS器件嵌入时通过自控机制而急剧减小。电压的减小使MEMS器件向电极的加速度减小，并且导致急剧减小的冲击速度。
当MEMS器件移动时，MEMS器件和控制电极之间的电容被调制。因此，流经需要由控制器提供的控制电容器的电流也被调制：
在标准电容器中，电流仅由C*dV/dt给出。然而，由于电容器随着时间被调制，需要额外的电流V*dC/dt。在MEMS器件嵌入(即移动)时，电容快速增大，并且待由控制器供应的所需电流成指数增长。通过限制控制器能够传输的电流，减小了在嵌入时电极上的实际电压。
图6和图7中示出了电极电压驱动器的两种示意性实现。基础驱动器包括两个晶体管：用于将Vcontrol拉到高电压水平HV的M1和用于将输出电压Vcontrol拉到接地的M2。Vcontrol连接到MEMS器件的上拉或下拉电极(由电容Ccontrol表示)。每个MEMS DVC器件具有这些控制驱动器中的两个；一个连接到上拉电极，并且一个连接到下拉电极。与M1串联是限流器，该限流器是电阻器Rsl(图6)或摆率限制电流源Isl(图7)。
当M1启动时，输出电压Vcontrol缓慢斜升到由Rsl或Isl限制的HV。控制电压的上升时间与Rsr*Ccontrol(图6)或者Ccontrol/Isr(图7)成比例，并且通过为Rsr或Isr选择合适的值以与MEMS器件的控制电容结合工作来控制。当Vcontrol达到MEMS器件的拉近电压时，MEMS器件嵌入，并且Ccontrol增大。由于驱动电流已经转向，因此驱动器不能够传输更多的电流。因此，控制电极上的电压下降(C*V＝常数)。
这在图8中能够看出，其中，通过Vbottom＝HV和Vtop＝0V的控制电压，MEMS器件首先落在底部上。在t＝t0处，底部电压被释放(Vbot＝0V)，并且顶部电压从0V缓慢斜升到HV。当底部电压被释放时，首先施加第一电压(即顶部电压)。一旦器件从底部电极被释放，所述器件就在顶部控制电压正在斜升时自由地铃振(即振动)。这调制了控制电容Ccontrol。由于控制驱动器已经正在供应最大电流(由Rsr或Isr限制)，因此控制电容的调制随着控制驱动器的输出处的Vcontrol的调制而出现。所述铃振消逝的速率取决于MEMS器件的与空腔内部的压力(压膜阻尼)和MEMS器件自身内部的损耗相关的Q。
在t＝t1处，电压达到MEMS的拉近电压(即第二电压)，并且器件在仍然铃振的同时以第一速度快速地向控制电极加速。因此，控制电容增大，并且因为控制驱动器处于电流饥饿状态，所以控制电压下降。因为控制电压下降(即施加到上拉电极的电压从第二电压降低到第三电压)，所以MEMS器件在继续振动的同时继续向接触点(即覆盖上拉电极的介电层)移动，即使是以缓慢的速度移动也是如此。在t＝t2处，MEMS器件落在接触点上且停止振动，并且由于控制电压的下降，作用于MEMS的静电力减小，并且MEMS的加速度减小，导致极大地减小冲击速度。
在器件已经在t＝t2处落下并且控制电压已经下降到第三电压之后，控制电压继续斜升直到HV(即第四电压)。然而，由于落下状态下的控制电容更高，因此电容的斜升速率减小(上升时间与Ccontrol成比例)。从t2到t3的电压增大期间，MEMS器件在不振动的情况下保持与接触点的接触。在t＝t3处，控制电压达到最终值HV。在电压从第三电压增加到第四电压期间，MEMS器件被拉动到与接触点更紧接触。
图9所示的实现示出了该控制方案能够利用LDMOS器件在CMOS技术中实现的可能方式中的一种。摆率电流源的实现要求提供以HV为参考的电流镜。图9示出了电路框图，其示出了参考电流是怎样生成的。
带隙产生在工艺、温度和电压变化上非常稳定的参考电压(例如在PVT期间小于10mV)。在V21块中，带隙电压被转换成参考电流。I21块随后使该电流参考HV。HVSW(高压开关)是控制驱动器(参见图7)，其使用参考电流Isr来设定输出的摆率。图10中示出的HVSW包括电平移位器、缓冲器和HVm3发生器。电平移位器产生用于缓冲器的控制信号，缓冲器在达到HV下工作。缓冲器的输出电流受摆率电流Isr或者摆率电阻器Rsr限制。如果使用摆率电阻器的实现，那么对于HVSW来说不需要带隙块、V21和I21块。图10的电平移位器包括由输入晶体管M5、M6驱动的交叉耦合的晶体管对M1、M2。对于LDMOS技术，Vgs需要被限制到大致小于5V。因此，级联晶体管M3、M4被添加到电平移位器在输入晶体管M5、M6和交叉耦合的晶体管对M1、M2之间。使用图11中所示的HVm3发生器来生成用于级联的偏置电压。这产生HVm3＝HV–3V，其根据HV在很多串联连接的LDPMOS器件之间的几Vgs的压降(参见图11)而得出。利用栅极连接到VDD的LDNMOS，HVm3发生器中的低电压器件与HV隔离。对于高压工艺技术，相同的电路拓扑结构能够在移除串联晶体管M3和M4之后用于电平移位器。
为了确保MEMS DVC在拉近电极和上拉电极两者都关闭(即输出电压Vcontrol维持在0V)的情况下通电，可以使晶体管M2比晶体管M1强大约百分之10。如此，在节点N2上的电压在启动时被锁定在高水平，并且这将电流换向到HVSW缓冲器，阻止Vcontrol上的电压上升。一旦HV和HVm3被充电到足够高，晶体管M2将被启动，这增大了节点N2处的电压。节点N2上的电压遵循HV，并且这使M1保持关闭(其Vgs＝0V)。节点N1处的电压会保持在低水平，并且M3会关闭。由于M1和M3两者都是关闭的，因此节点N1处的电压未被限定并且能够具有任何值。在没有钳位二极管的情况下，节点N1上的电压能够呈现非常低的值，这会损坏晶体管M1。在正常操作中也是一样。晶体管M1和M3关闭并且节点N1处的电压未被限定，或者晶体管M2和M4关闭并且节点N2处的电压未被限定。通过将钳位二极管添加在节点N1和HVm3之间并且也添加在节点N2和HVm3之间，节点N1和N2上的电压不会比HVm3减去二极管压降更低，这确保了M1和M2之间的压降维持在对于这些晶体管来说的安全工作状态中。
通过对施加到拉近电极或上拉电极的电压进行控制，MEMS器件冲击接触表面的速度可以被控制，使得MEMS器件冲击比以另外方式使用恒定的高电压而会发生的冲击更小。通过对施加的电压进行控制，MEMS DVC的寿命可以在没有器件性能损耗的情况下增加到几十亿个循环。
虽然上面的描述针对本发明的实施例，但是在不脱离本发明的基本范围情况下可以设想本发明的其他和另外的实施例，并且本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种操作MEMS DVC器件的方法，所述MEMS DVC包括：第一电极，其具有被布置在其上的第一介电层，具有第一接触表面；第二电极，其具有被布置在其上的第二介电层，具有第二接触表面；被布置在空腔中并且能够在所述第一接触表面和第二接触表面之间移动的MEMS器件；和耦合到所述第一电极或所述第二电极的第一电极电压驱动器；所述方法包括：
在第一时间段向所述第一电极或所述第二电极施加第一电压；
将所述第一电压增大到第二电压，其中，该增大在第二时间段发生，并且其中所述第二电压达到所述MEMS器件的拉近电压；
将所述第二电压减小到第三电压，其中，该减小在第三时间段发生；
将所述第三电压增大到第四电压，其中，该增大在第四时间段发生，并且其中，所述第四电压大于所述第二电压。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二电压足以使MEMS器件朝所述电极拉近。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在所述第二电压被减小到第三电压时，所述MEMS器件继续朝所述电极移动。
4.如权利要求3所述的方法，其中，在所述第四时间段期间，所述MEMS器件被拉动到与被布置在拉近电极上的介电层更紧密接触。
5.如权利要求4所述的方法，其中，从所述第二电压到所述第三电压的减小使所述MEMS器件在所述介电层上的冲击速度减小。
6.如权利要求5所述的方法，其中，在从所述第二电压到所述第三电压的减小期间，所述MEMS器件振动。
7.如权利要求6所述的方法，其中，与在从所述第二电压到所述第三电压的减小期间相比，在所述第一电压被增大到所述第二电压期间所述MEMS器件以更大的频率振动。
8.如权利要求7所述的方法，其中，在所述第二电压被减小到所述第三电压期间，所述MEMS器件在振动时继续朝所述电极移动。
9.如权利要求8所述的方法，其中，在所述第三时间段结束时，所述MEMS器件冲击接触表面。
10.如权利要求9所述的方法，其中，在从所述第一电压增大到所述第二电压期间，所述MEMS器件的振动减小。
11.一种MEMS DVC器件，其包括：
第一电极，其具有被布置在其上的第一介电层，具有第一接触表面；
第二电极，其具有被布置在其上的第二介电层，具有第二接触表面；
被布置在空腔中并且能够在所述第一接触表面和第二接触表面之间移动的MEMS器件；和
耦合到所述第一电极或所述第二电极的第一电极电压驱动器，其中，电极电压驱动器被配置为：
在第一时间段向所述第一电极或所述第二电极施加第一电压；
将所述第一电压增大到第二电压，其中，该增大在第二时间段发生，并且其中所述第二电压达到所述MEMS器件的拉近电压；
将所述第二电压减小到第三电压，其中，该减小在第三时间段发生；并且
将所述第三电压增大到第四电压，其中，该增大在第四时间段发生，并且其中，所述第四电压大于所述第二电压。
12.如权利要求11所述的MEMS DVC，其中，所述第一电极电压驱动器包括：
第一晶体管；和
在节点处耦合到所述第一晶体管的第二晶体管，其中，所述节点耦合到所述第一电极或所述第二电极。
13.如权利要求12所述的MEMS DVC，还包括耦合到所述第一晶体管的电阻器。
14.如权利要求13所述的MEMS DVC，其中，所述第一电极电压驱动器耦合到所述第一电极。
15.如权利要求14所述的MEMS DVC，还包括耦合到所述第二电极的第二电极电压驱动器。
16.如权利要求15所述的MEMS DVC，其中，所述第二电极电压驱动器与所述第一电极电压驱动器大致相同。
17.如权利要求12所述的MEMS DVC，还包括耦合到所述第一晶体管的摆率限制电流源。
18.如权利要求17所述的MEMS DVC，其中，所述第一电极电压驱动器耦合到所述第一电极。
19.如权利要求18所述的MEMS DVC，还包括耦合到所述第二电极的第二电极电压驱动器。
20.如权利要求19所述的MEMS DVC，其中，所述第二电极电压驱动器与所述第一电极电压驱动器大致相同。
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