CN1961393A

CN1961393A - 控制微机械元件的装置与方法

Info

Publication number: CN1961393A
Application number: CNA2005800176987A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·卡津齐
Original assignee: Cavendish Kinetics Ltd
Current assignee: Cavendish Kinetics Ltd; Cavendish Kinetics BV
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2007-05-09
Also published as: EP1756844B1; EP2211362B8; US7613039B2; JP2008503075A; US20070223267A1; WO2005124803A1; EP2211362A1; US7965547B2; US20100080052A1; CN101714410A; CN101714410B; EP2211362B1; JP4995719B2; GB0413341D0; EP1756844A1

Abstract

本发明涉及一种控制用于电路的非易失存储器的装置，包括：连接到基底的微机械元件；该微机械元件响应设置在基底上用来控制微机械元件在一或多个稳定状态间运动的偏转装置；此外，本发明涉及一种控制非易失存储器设备装置的方法，包括：给偏转装置加载用于使微机械元件在一或多个稳定状态间运动的一或多个信号；为了提高本发明的效力，还提供了一种用于非易失存储器装置的短路电路。

Description

控制微机械元件的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种用在电路中，特别地但不限于非易失存储器装置中控制微机械元件的装置与方法。

背景技术

由于受高集成电路中使装置小型化以用于微电子应用的驱动，微机械结构或元件在微电子产业中的诸如开关、电容器、继电器的应用上存在着巨大的潜在需求。用于存储器装置的微机械元件例如悬臂是半导体芯片中固态存储器阵列的主要竞争对手。

另外，许多不同应用，包括微型开关、电容电路、加速计和光学元件等都采用了微机械结构。由于加工技术的进一步发展，微机械结构在尺寸上明显变小，这样提高了它们作为逻辑元件或存储器元件以与半导体处理器及存储器芯片竞争的潜力。

传统的半导体非易失存储器通过使用晶体管实现擦写，晶体管具有浮动栅和控制门，所述浮动栅和控制门由绝缘体隔开。浮动栅上存储的电荷可表示一个二进制值，该二进制值由装置被切换到ON时预定电压也即阈值电压是否被超过来决定。

传统的固态存储器具有可采取或者ON状态或者OFF状态来表示信息存储状态的存储单元，存储器晶体管内的电荷转移限定在由加载到存储器晶体管上的前述阈值电压决定的ON和OFF状态期间的1比特信息。

微机械元件的价值主要在于其小尺寸及潜在的用途，比如作为微机械结构为存储器应用中的电荷转移提供介质。需要提供具有良好的结构完整性的并且在转换操作上也是可靠的微机械元件是令人向往的。微机械元件通常装在低压纵长的空腔中，在空腔中其是可活动的并通过施加使元件分别与邻近电极接触和脱离接触的启动电压来切换到ON和OFF状态。这种装置通常被视为一个单元。

微机械接触开关/单元的性能所面临的关键问题之一就是在ON状态下，电极和微机电元件在接触时容易彼此粘在一起，使得例如难以将它们分开以便关掉单元。微机电系统(MEMS)领域的技术人员称这种现象为“静态阻滞”，其由两个不同表面的原子和分子间的吸引造成。如果偏转由静电引起，则需要加载高控电压来产生恢复力，同集成电路操作在约5V或3.3V电压相比，高控电压通常高达约40V。

本发明的非易失存储器装置利用悬臂开关和电极之间的静态阻滞来将开关保持在ON状态。举例来说，通常通过维持恒定的偏压电压来使悬臂式继电器启动到ON状态。不过，为了使微机械结构从ON状态迅速切换到OFF状态，大多数方法都是通过应用负脉冲来减小恒定偏压来激活OFF状态。因此，为了达到OFF状态，就要加载比启动ON状态所需电压更低的电压。

尽管静态阻滞现象在微机电系统领域是个重大问题，但在诸如开关和存储器的应用中，仍在继续研究努力以克服该现象。不过在本发明中，静态阻滞被用于在切换操作过程中维持微机械元件和接触电极之间的粘附，以对结构进行编程。本发明寻求在微机械元件中产生更大的可控的恢复力，以便重复、快速、熟练地对它进行编程和清除程序。

微机电开关的恢复力可以修改，例如通过使用多个控制电极使该微机电开关与电极接触，或可选地通过使用特殊形状的结构元件来产生更强的恢复力。但是通过具有不止一个驱动电极会增加使用这种开关的系统的成本和复杂性。

在其他解决方案中，电极布置在可动微机械元件的每一侧上作为实现切换操作的装置。但这种方案有许多限制，如加载较高的电压，较大的空腔来容纳机电元件，并且如果电极布置在结构的每一侧，则在其制作过程中必须使用额外的掩模并因而增加了成本。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种设有电极装置的存储器元件，其容许快速切换操作，可在微机械元件中产生更大的可控恢复力以便重复、快速、熟练地对其编程和清除程序，可加载低的切换电压，在结构的制作步骤中较少地实施掩模以容许较小的空腔来容纳元件并节省制造成本。

因此，根据本发明的第一方面，提供了用于电路的非易失存储器装置，其包括连接到基底的微机械元件，该微机械元件响应设置在基底上以控制微机械元件在一或多个稳定状态间的运动的偏转装置。

优选地，所述或每种稳定状态可包括微机械元件具有接触状态、用于引起微机械元件从接触状态受控地释放的亚稳状态以及其中微机械元件具有自由端的状态。

最优选地，微机械元件可连接到基底以提供与基底的电接触。

有利地，偏转装置是可操作的以使元件沿远离接触位置的方向以快速释放的模式偏转，并且正是偏转装置引起所述或每种稳定状态。

优选地，偏转装置包括一个或多个共面电极。

优选地，微机械元件可以响应偏转装置而弹性变形，微机械元件优选地由从钛、钨、铝、铜或钽中选取的导电材料制成。

优选地，第一电压可被加载到偏转装置以吸引微机械元件使之与第一电极接触，第二电压可被加载到偏转装置以使微机械元件接近偏转装置。

优选地，微机械元件可以包括具有不同物理特性的部分，特别是包括具有比邻近部分更高的弯曲刚度的部分。

本发明另一方面提供了一种用于控制非易失存储器装置的方法，包括向偏转装置加载一或多个信号，以用于使微机械元件在一个或多个稳定状态间运动。

优选地，将一个或多个控制信号加载到偏转装置的步骤可使微机械元件运动到接触状态。优选地，这种方法的步骤可包括产生用于引起微机械元件沿远离接触位置的方向以快速释放的模式偏转的预定信号。

有利地，给偏转装置产生一个或多个预定信号的步骤可使微机械元件运动到接近偏转装置。

本发明另一方面还提供了一种短路电路，包括：靠近第二微机械元件的第一微机械元件，第一和第二微机械元件每个响应用于移动相应微机械元件的相应的第一和第二偏转装置；电流限制装置；与偏转装置和电流限制装置相连的接地线；其中第一偏转装置可与第二偏转装置接合以实现短路。

有利地，第一微机械元件可以被布置成基本上垂直于第二微机械元件，并且电路中的电流限制装置是电阻器。

优选地，相应的偏转装置可包括一个或多个电极以吸引微机械元件或使其与接触电极脱离。有利地，第一微机械元件的吸引电极可与第二微机械元件的接触电极接合以实现第一微机械元件的短路。

优选地，短路电路可在本发明的非易失存储器装置中操作。

本发明与已知的解决方案相比特别的优势在于吸引电极和排斥电极在同一平面。这意味着其制作过程中不需要额外的掩模步骤和额外的层以用于对开关清除程序。除此之外，被编程的悬臂下方的静电差较小，这使得清除程序电压比其中电极布置在微机械元件的每一侧上的构造所需的电压更低。

附图说明

本发明的实施例将通过例子参考附图进行描述，附图中：

图1示出了其中没有加载电压的非易失存储器单元装置；

图2示出了处于第二状态的非易失存储器单元的横截面，在该状态下非易失存储器单元可以被激活到ON状态；

图3示出了非易失存储器设备的横截面，其中微机械元件2仍与电极接触，附加的电压将元件进一步吸引向电极；

图4示出了当电极5上的电压快速下降时微机械元件沿远离偏转电极的方向迅速偏转；

图5示出了在本发明的非易失装置中可操作的短路电路；以及

图6示出了包括一个或多个平行梁段的微机械元件。

具体实施方式

本实施例就装在低压环境中的存储器单元所呈现的构成整个发明的不同状态来进行描述。图1涉及本发明的实施例的第一状态，其中非易失存储器单元装置1包括：微机械元件2，例如本实施例中的悬臂；元件2布置在第一电极4上的支撑部分3；元件2的在第二电极5和第三电极6上方可动的自由端；其中电极4、5和6共面地布置。Z表示微机械元件2的下表面与电极4、5和6的上表面之间的间距。X表示电极4和5之间的间距；Y表示电极5和6之间的间距。电极5是切换电极，而电极4和6起接触电极的作用。在第一状态下，没有向单元加载电压。因此，在元件2和电极4、5和6之间没有静电力，这样单元处于其中元件2保持不动的平衡状态。

参看图2，非易失存储器单元1的元件2可以设置在能被激活到ON状态的第二状态。这通过例如在偏转电极5处加载偏压电压V1来实现，从而在元件2和电极5之间引入迫使元件2朝向接触电极6的静电力。当这种“吸引”电压达到阈值时，作为两者之间接触的结果，元件2开始向电极6进行电荷转移，从而使元件2处于编程状态。在编程后，当偏压电压V1从电极5上去除，即V1＝0时，元件2保持与电极6接触。这被视为已编程状态。接触借助于诸如范德瓦尔斯力或表面张力的吸引继续保持，这种范德瓦尔斯或表面张力公知是一种静态阻滞或金属对金属的粘结，其构成这种模式下单元1的非常有利的粘着状态。

另外，在这种状态下，微机械结构2存储弹性能量并且存储器单元1包括由如上所述在元件尖端与接触电极之间的界面处产生的静态阻滞力造成的附加的有功部分。

应该指出的是，在一些诸如易失存储器的应用中，保持接触电极6与元件2之间的接触的静态阻滞并不是有利特征。因而，为了抵消这种静态阻滞，电极可以涂上聚合物薄膜来减少元件2和电极6之间的粘附能量。

本发明的非易失存储器单元1在上述接触模式之后采取另一状态。参考图3，在元件2仍与电极6接触时，在电极5和元件2之间加载偏压电压V2(V2＞0，＜0)，从而吸引元件2进一步靠近电极5。当元件2弯向电极5时，产生了额外的弹性应变能量并储存在元件2的一个或多个部分中。微机械元件弹性能量的增加应足以克服元件2和电极6之间的界面处出现的粘附力。应该指出的是，加载的电压应按下述方式控制元件的位移，即避免微机械元件2与电极5直接接触，这种接触会使单元短路。

下一步，当电极5处的电压V2快速下降时(|V|→0)，元件2迅速沿远离偏转电极5的方向偏转，如图4所示。元件2中存储的弹性应变能量抵消元件2和接触电极6之间的粘附力或静态阻滞，从而以快速释放的模式释放元件2。粘附力在元件2和电极6之间的界面处构成能量势垒。在该模式下，元件2从能量方向非常有利的粘附状态转换到其中元件2可以自由移动的下一状态。这一状态被称为清除程序状态。编程状态和清除程序状态连续并重复地执行。

当快速释放模式是本发明一个重要方面时，重要的是在快速释放模式中向偏转电极5加载电压要足够快以至材料内的机械脉冲传播应该是限制因素，并且这与微机械元件2的机械共振频率(第一固有频率)有关。这是因为存储的弹性能量可能会不希望地耗散至不能实现微机械元件的快速释放的程度。不希望通过具有比机械共振更慢的速率下降的电脉冲来减慢微机械元件的运动，该机械共振包括粘性阻尼和阻尼支撑损失的效果。

此外，若存储器单元的驱动电子器件不能加载这种快速脉冲，一个微机械元件的“吸引电极”会被另一个微机械元件短路。参考图5，电路300中，微机械元件305设置于另一微机械元件310附近，元件310在电路300中在340处接地。微机械元件310具有吸引电极350和接触电极355，而微机械元件305具有接触电极345和吸引电极355，该电极355是微机械元件310的接触电极。

在装置的正常操作中，如前参考图5所述，微机械元件305被驱动/传感电路320在偏转电压V1(V1＞0)325处吸引，并且然后在下一步中被V2325处提供的电压进一步吸引以增加弹性应变能量并因而造成微机械元件305的快速释放。当微机械元件310与微机械元件305的吸引电极355接触时，吸引电极355被短路，并且由于限制微机械元件310处的电流的大电阻器355的作用，吸引电极355的电压快速下降至零。

这种快速释放模式机制在微机械元件和电极之间的接触区域最小时有效得多。这样，在清除程序过程中，仅微机械元件的尖端应触及接触电极，以便保证它不会突然进入“平坦”模式，即接触吸引电极。可通过几种方法实现，包括在靠近尖端处提供刚性部分以防止平坦模式。

因此，在本发明的进一步实施例中，在微机械元件快速释放模式过程中，可通过提供弯曲刚度沿其长度变化的结构来增强偏转。例如，参考图1的微机械单元，长度段2可以由具有高弯曲刚度的材料制成，因为该段在亚稳定模式期间被进一步吸引。结构的其他长度段，如长度B和长度C每个可具有预定的弯曲刚度以适应长度段B中较高的弯曲刚度从而维持微机械元件5的结构完整性。

除此之外，还存在多种方法，其中加载到图1-4中的单元1上的电压脉冲可以被降低以便减少能量消耗。参考图1，通过减小微机械元件2的下表面和电极之间的位移Z，较低的偏压电压可被加载到电极5上以吸引结构元件2，实现其与电极6的电接触。不过，间距Z应保证电极5和元件2之间没有接触，这种接触将会造成电极5的不良短路并造成装置过早地停机。

参考图1-4，单元的电极间的间距能够变化以改变存储于元件2中的弹性应变能量。举例来说，如果电极5与电极6距离较远，微机械元件2由于与电极5接触的可能性较低在快速释放前可能被进一步吸引。那样会造成电极5短路。

本发明的主要目的之一是增大存储于微机械元件的弹性应变能量以提高其从接触电极释放的速度。参考图6，在本发明的又一实施例中，微机械元件600可能包括一个或多个平行的梁段，例如段601、段602和段603。元件600响应彼此侧向布置的电极604和604。使用中，当结构处于如前所述的亚稳状态时，结构在电极604和605的影响下被向下吸引并在释放前由于沿长度的弯曲刚度增加而进一步弯曲。

通过以这种方式布置的段602，扭转的侧梁具有增加的弯曲刚度。另外，本实施例的布置使下拉作用最小而侧梁上的扭矩最大。从而对于同样的竖直偏转量，相比在本发明的微机械元件的情况下能在系统中产生更多的弹性应变能量。

尽管此处描述了微机械存储器元件的特定实施例及其使用方法，但并不意味这种特定参考例应被视为对本发明范围的限制。而且，在结合具体的实施例对本发明进行描述后，应理解，另外的变型对本领域普通技术人员有如下暗示：所有这些变型均落在附属权利要求涵盖的范围内。

Claims

1、一个用于电路的非易失存储器装置，包括：

连接到基底的微机械元件；

所述微机械元件响应设置在基底上的偏转装置以控制微机械元件在一个或多个稳定状态间的运动。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述或每种稳定状态包括所述微机械元件具有接触状态。

3、如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述或每种稳定态包括用于引起所述微机械元件从接触状态受控地释放的亚稳状态。

4、如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述或每种稳定状态包括所述微机械元件具有自由端。

5、如前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述微机械元件被连接到基底上以提供与基底的电接触。

6、如前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述偏转装置是可操作的以使元件沿远离接触位置的方向以快速释放的模式偏转。

7、如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述偏转装置导致所述或每种稳定状态。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述偏转装置包含一个或多个电极。

9、如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述电极是共面的。

10、如前面任一权利要求所述的装置，其中所述微机械元件可以响应偏转装置而弹性变形。

11、如前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述微机械元件由导电材料制成。

12、如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述微机械元件由选自钛、钨、铝、铜或钽构成的组中的材料制成。

13、如前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，第一电压被加载到偏转装置以吸引微机械元件使之与第一电极接触。

14、如前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，第二电压被加载到偏转装置以使微机械元件接近偏转装置。

15、如权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述微机械元件包括具有不同物理特征的部分。

16、如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述微机械元件包括具有比邻近部分更高的弯曲刚度的部分。

17、如前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述微机械元件被容纳于低压环境里。

18、一种用于控制非易失存储器装置的方法，包括：

向偏转装置加载一个或多个信号，以用于使微机械元件在一或多个稳定状态间运动。

19、如权利要求18所述的方法，其特征在于，将一个或多个控制信号加载到偏转装置的步骤使微机械元件运动到接触状态。

20、如权利要求18或19所述的方法，包括产生用于使微机械元件沿远离接触位置的方向以快速释放模式偏转的预定信号。

21、如权利要求18至20所述的方法，其特征在于，给偏转装置产生一个或多个预定信号的步骤使微机械元件运动到接近偏转装置。

22、一种短路电路，包括：临近第二微机械元件的第一微机械元件，第一和第二微机械元件每个响应用于移动相应微机械元件的相应的第一和第二偏转装置；电流限制装置，接地线与偏转装置和电流限制装置相连；其中第一偏转装置可与第二偏转装置接合以实现短路。

23、如权利要求21所述的电路，其特征在于，第一微机械元件被布置成基本上垂直于第二微机械元件。

24、如权利要求22或23所述的电路，其特征在于，所述电流限制装置是电阻器。

25、如权利要求22至24之一所述的电路，其特征在于，相应的偏转装置包括一个或多个电极以吸引微机械元件或使其与接触电极脱离。

26、如权利要求22至25之一所述的电路，其特征在于，第一微机械元件的吸引电极可与第二微机械元件的接触电极接合，以实现第一微机械元件的短路。

27、一种包括如权利要求22至26所述的电路的非易失存储器装置。