JP2014072191A

JP2014072191A - マイクロエレクトロメカニカルシステム（ｍｅｍｓ）スイッチを作動させるためのゲート回路を含むスイッチング装置

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Publication number: JP2014072191A
Application number: JP2013194762A
Authority: JP
Inventors: Claydon Glenn; グレン・クレイドン; Fred Kemell Christopher; クリストファー・フレッド・ケイメル; John N Park; ジョン・ノートン・パーク; Bo Li; ボー・リ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-09-20
Publication date: 2014-04-21
Anticipated expiration: 2033-09-20
Also published as: EP2713379A1; EP2713379B1; JP6243674B2; US8659326B1

Abstract

【課題】ＭＥＭＳスイッチを作動させるゲート回路を含むスイッチング装置を提供する。
【解決手段】ゲート（２２）に印加されるゲート（２２）制御信号に応答して、第１および第２の可動アクチュエータ（１７、１９）を通過する電流経路を選択的に確立し、これらの可動アクチュエータ（１７）を作動させるように構成されたスイッチング回路（３４）を含む。この装置（３０）は、スイッチのゲート（２２）に印加されるゲート（２２）制御信号を生成するゲート回路（３２）を含む。このゲート回路（３２）は、共通コネクタ（２０）に電気的に結合され、変動するビーム（１６）電圧に対して電気的に浮遊するように構成され、変動するビーム（１６）電圧とゲート回路（３２）のローカルな電気的グランドとの間に電気的基準を有しうるドライバチャネル（４０）を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明の諸態様は、一般に、電流経路において電流を選択的にスイッチングするためのスイッチング装置に関し、更に詳しくは、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）スイッチに基づく装置に関し、更にまた詳しくは、直列的におよび／または並列的にスタックされたＭＥＭＳスイッチのバックトゥーバック（Ｂ２Ｂ）構造配列など、ＭＥＭＳベースのスイッチのスタック可能なアレイを作動させるように構成されたゲート回路を含むスイッチング装置に関する。

並列スイッチの直列接続されたモジュールや、直列スイッチの並列接続されたモジュールなど、ＭＥＭＳスイッチを接続してスイッチングアレイを形成することは、知られている。スイッチのアレイが必要とされうるのは、単一のＭＥＭＳスイッチでは、与えられたスイッチングの応用例において必要とされうる、十分な電流を導通させること、および／または、十分な電圧をホールドオフすること、のいずれかを行うことができないことがありうるからである。

そのようなスイッチングアレイの重要な性質は、スイッチのそれぞれがアレイの全体的な電圧および電流の定格にどのように寄与するかである。理想的には、アレイの電流定格は、任意の数の並列分岐の場合に、単一のスイッチの電流定格とスイッチの並列分岐の個数との積に等しいはずである。そのようなアレイは、電流スケーラブルであると称されうる。電流スケーリングは、実際のスイッチングアレイにおいては、オンチップの幾何学的配置や相互接続パターンなどを通じて、達成されている。電圧スケーリングを達成するのは、より困難であった。というのは、スイッチング構造に加えて受動素子を含む場合があるからである。

概念的には、アレイの電圧定格は、単一のスイッチの電圧定格と直列におけるスイッチの個数との積に等しいはずである。しかし、実際のスイッチングアレイにおいて電圧スケーリングを達成することは、困難を生じてきた。例えば、Ｂ２Ｂスイッチング構造を含む直列的にスタックされたスイッチは、スイッチング動作を制御する電圧とスイッチングされる電圧とを（例えばクロストークから）分離する必要性などのために、ユニークな困難を呈する場合がある。更に詳しくは、Ｂ２Ｂスイッチング構造は、一般に、ビーム電圧をビームの作動を制御する電圧（ゲート電圧）への基準とすべき電圧基準位置（例えば、Ｂ２Ｂ構造の中間点）を含む。例えば、Ｂ２Ｂ構造の中間点は、適切に電気的に参照されない場合には、電気的に浮遊する可能性があり、そのようなスイッチが直列的にスタックされる状態では、スイッチの可動ビームの自由端と静止接点との間に比較的大きな差動電圧が形成される（例えば、与えられたスイッチの「耐」電圧定格を超える）ことに至り、よって、スイッチが閉じた状態に作動されると、スイッチに損傷を与える可能性がある。

米国特許出願公開第２０１１／０３０８９２４号公報

一般的に、本発明の諸態様は、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）スイッチングアレイの革新的なゲート制御を提供することができるのであるが、このゲート制御は、アレイを構成するスイッチのスタック可能なアーキテクチャにおいてゲート信号を基準付け平衡させるように効果的に構成することができる。ある例示的な実施形態では、スイッチング装置が、共通コネクタによって共に電気的に接続されている第１の可動アクチュエータと第２の可動アクチュエータとを備えたビームを有する少なくとも１つのマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチを備えたスイッチング回路であって、マイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチが、このスイッチの対応する第１および第２のゲートに印加される単一のゲート制御信号に応答して、第１および第２の可動アクチュエータを通過する電流経路を選択的に確立し、このスイッチの第１および第２の可動アクチュエータを作動させるように構成された、スイッチング回路を含みうる。この装置は、更に、スイッチの第１および第２のゲートに印加される単一のゲート制御信号を生成するゲート回路を含みうる。このゲート回路は、スイッチの共通コネクタに電気的に結合されており、変動するビーム電圧に対して電気的に浮遊するように構成され、変動するビーム電圧とゲート回路のローカルな電気的グランドとの間に電気的基準を有するドライバチャネルを備えうる。

本発明の更なる態様は、別の例示的な実施形態において、共通コネクタによって共に電気的に接続されている第１の可動アクチュエータと第２の可動アクチュエータとを備えたビームを有する少なくとも１つのマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチを備えたスイッチング回路であって、マイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチが、このスイッチの対応する第１および第２のゲートに印加される単一のゲート制御信号に応答して、第１および第２の可動アクチュエータを通過する電流経路を選択的に確立し、このスイッチの第１および第２の可動アクチュエータを作動させるように構成された、スイッチング回路を含みうるスイッチング装置を提供することができる。スイッチの第１および第２のゲートに印加される単一のゲート制御信号を生成するのには、ゲート回路を用いることができる。このゲート回路は、スイッチの共通コネクタに電気的に結合されており、変動するビーム電圧に対して電気的に浮遊するように構成され、変動するビーム電圧とゲート回路のローカルな電気的グランドとの間に電気的基準を有するドライバチャネルを備えうる。このスイッチング回路は、直列回路として相互に接続されておりそれぞれの対応するスイッチの第１および第２の可動アクチュエータを通過する電流経路を確立する複数の対応するマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチを備えうる。ゲート回路は、対応するゲート制御信号を対応するスイッチの対応する第１および第２のゲートに印加して対応するスイッチの第１および第２の可動アクチュエータを作動させるようにそれぞれが構成された対応の複数の対応するゲート回路を備えうる。それぞれの対応するゲート回路は、対応するスイッチの対応する共通コネクタに電気的に結合されており、対応するスイッチの変動するビーム電圧に対して電気的に浮遊するように構成され、対応するスイッチの変動するビーム電圧と対応するゲート回路のローカルな電気的グランドとの間に電気的基準を有し得る対応するドライバチャネルを備えうる。

本発明のまた更なる態様は、更に別の例示的な実施形態において、共通コネクタによって共に電気的に接続されている第１の可動アクチュエータと第２の可動アクチュエータとを有する少なくとも１つのマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチを備えたスイッチング回路であって、このスイッチの対応する第１および第２のゲートに印加される単一のゲート制御信号に応答して、第１および第２の可動アクチュエータを通過する電流経路を選択的に確立し、このスイッチの第１および第２の可動アクチュエータを作動させるように構成された、スイッチング回路を含みうるスイッチング装置を提供することができる。スイッチの第１および第２のゲートに印加される単一のゲート制御信号を生成するのには、ゲート回路を用いることができ、このゲート回路は、スイッチの共通コネクタにおける変動する電圧に対して電気的な基準となり、共通コネクタは、システムグランドとこのゲート回路のローカルな電気的グランドとに対して電気的に浮遊するように構成されている。このスイッチング回路は、直列回路として相互に接続されておりそれぞれの対応するスイッチの第１および第２の可動アクチュエータを通過する電流経路を確立する複数の対応するマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチを備えうる。ゲート回路は、対応するゲート制御信号を対応するスイッチの対応する第１および第２のゲートに印加して対応するスイッチの第１および第２の可動アクチュエータを作動させるようにそれぞれが構成された対応の複数の対応するゲート回路を備えうる。それぞれの対応するゲート回路は、対応するスイッチの対応する共通コネクタにおける変動する電圧から電気的に絶縁されているが、その変動する電圧に対する電気的な基準となりうるのであって、対応する共通コネクタは、システムグランドと対応するゲート回路の対応するローカルな電気的グランドとに対して電気的に浮遊するように構成することができる。

本発明は、示される図面に照らして、以下の記載において説明される。

ＭＥＭＳスイッチのある例示的な実施形態の概略的な表現であり、このスイッチは本発明の諸態様からの利益を有しうる。図解されているＭＥＭＳスイッチの構造的な配置は、この技術分野では、口語的には、バックトゥーバック（Ｂ２Ｂ）ＭＥＭＳスイッチング構造と称される。Ｂ２ＢＭＥＭＳスイッチを作動させるゲート回路の例示的な実施形態を含む本発明の諸態様を具体化する装置のブロック図表現である。直列的にスタックされた複数のＢ２ＢＭＥＭＳスイッチを作動させるための図２に示されている複数のゲート回路を含む、本発明の諸態様を具体化する装置のブロック図表現である。アーク放電保護回路と組み合わせ図２のゲート回路を含む、本発明の諸態様を具体化する装置のブロック図表現である。

本発明の実施形態により、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）スイッチに基づくスイッチングアレイにおいて（例えば、所望の電圧定格を満たすための）電圧スケーラビリティを提供するのに用いられうる構造的および／または動作的な関係が、本明細書で説明される。現在、ＭＥＭＳとは、一般に、例えば機械的素子、電気機械的素子、センサ、アクチュエータ、および電子装置などの複数の機能的に別個の要素を、微小加工技術により、共通の基板上に例えば統合することができるミクロンスケールの構造を意味する。しかし、ＭＥＭＳデバイスにおいて現在入手可能な多くの手法および構造は、例えばサイズが１００ナノメートル未満にもなりうる構造であるナノテクノロジベースのデバイスを介して、ほんの数年のうちに入手可能になると考えられている。したがって、この文書を通じて説明される例示的な実施形態がＭＥＭＳベースのスイッチングデバイスに関するものであっても、本発明の独創的な態様は、広く解釈されるべきであり、ミクロンサイズのデバイスに限定されるべきではない。

以下の詳細な説明では、本発明の様々な実施形態についての十全な理解を提供するために、多くの特定の詳細が提示されている。しかし、本発明の実施形態はこれら特定の詳細がなくても実現可能であり、本発明は示されている実施形態には限定されず、そして、本発明は様々な別の実施形態としても実現されうることは、当業者であれば、理解するであろう。他の場合には、周知の方法、手順、およびコンポーネントについては、詳細に説明されていない。

更に、様々な動作を、本発明の実施形態を理解するのに役立つように実行される複数の離散的なステップとして、説明することがある。しかし、説明の順序は、これらの動作が提示されている順序で実行される必要があることを含意するものと解釈されるべきではないし、これらの動作が順序に依存することを含意するものであるとも解釈されるべきではない。更に、「ある実施形態では」という表現が何度も用いられていても、そうである場合もあるものの、必ずしも同一の実施形態を意味するものではない。最後に、本出願において用いられている「備える」、「含む」、「有する」などの用語は、特に断らない限りは、同義的であることが意図されている。

図１は、ＭＥＭＳスイッチ１０のある例示的な実施形態の概略的な表現であり、ＭＥＭＳスイッチ１０は本発明の複数の態様から利益を受けている。図解されているＭＥＭＳスイッチ１０の構造的な構成は、この技術分野において、口語的にはバックトゥーバック（Ｂ２Ｂ）ＭＥＭＳスイッチング構造と称され、与えられたゲート素子に対して優れた電圧スタンドオフ能力を提供することが判明している。

図解されている実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ１０は、第１の接点１２（ソースまたは入力接点と称されることもある）と、第２の接点１４（ドレインまたは出力接点と称されることもある）と、可動アクチュエータ１６（ビームと称されることもある）とを含む。可動アクチュエータ１６は、共通接続部によって共に電気的に接続されている第１および第２の可動アクチュエータ１７および１９から構成されうる。ある例示的な実施形態では、第１および第２の可動アクチュエータ１７および１９は、共通のアンカ２０によってサポートされることがあり、共通のアンカ２０は、第１の可動アクチュエータ１７と第２の可動アクチュエータ１９とを電気的に相互接続する共通の接続部（例えば、共通コネクタ）として機能しうる。ある実施形態では、接点１２、１４は、可動アクチュエータ１６を介して負荷回路１８の一部として相互に電気的に結合されるように作動されうるが、可動アクチュエータ１６は、スイッチが「オン」のスイッチング状態に作動されると、第１の接点１２から第２の接点１４に電流を流すように機能する。本発明のある態様によると、ＭＥＭＳスイッチ１０は、第１および第２の作動素子１７および１９の両方に静電引力を及ぼすように構成された共通ゲート回路２４（参照符号Ｖｇが付されている）によって制御されるそれぞれのゲート２２を含みうる。

本発明の複数の態様を具体化しているゲート回路の例示的な詳細は、図２および３のコンテキストにおいて後述する。図２は、単一のＭＥＭＳＢ２Ｂスイッチング構造のコンテキストにおけるゲート回路（例えば、基本構築ブロック）を図解しており、図３は、直列的にスタックされた複数のＭＥＭＳＢ２Ｂスイッチング構造（例えば、２つのＭＥＭＳＢ２Ｂスイッチング構造）のコンテキストにおいて、複数の図２に図解されているゲート回路（例えば、２つのゲート回路）を図解している。本発明の複数の態様はどのような特定の数の直列的にスタックされたＭＥＭＳスイッチにも限定されることはなく、したがって、図３に図解されているスイッチの数は、限定の意味ではなく、例示の意味で解釈されるべきであることを当業者であれば理解するはずである。また、ＭＥＭＳスイッチング構造の直列的にスタックされたアレイというコンテキストにおいてなされる以下での説明は、限定を意味するのではなく例示を意味すると解釈されるべきであることも、当業者であれば理解するはずである。その理由は、本発明の諸態様は、直列的にスタックされたアーキテクチャに限定されないからである。例えば、結果的に生じるアレイによって処理される電流の量を増加させうる、または、アレイにおけるチャネル数を増加させうるなど、直列アレイは、並列アレイによってスケーラブルでありうる。このスタック可能性は、この技術分野では口語的にオンチップと称される回路チップ上で（例えば、ダイレベルでの一体化）、オフチップ（例えば、複数の離散的なダイダイスを含む）で、またはその両者で、達成されうる。

ある例示的な実施形態では、作動電圧は、それぞれのゲート２２に、したがって、それぞれの作動素子に同時に与えられうる。ゲート信号が同時に与えられることは必要でないことは、理解されるであろう。その理由は、ゲート信号が同時にではなく印加されうる応用例が存在しうるからである。そのような応用例とは、つまり、ある時間間隔にわたってゲートプロファイルを選択的に制御することを望む場合、および／または、例えば抵抗値を徐々に増加させ、それによって電流を徐々に流す（例えば、故障保護、ソフトスタータなど）ように、個別化されたスイッチの開放に時差を生じさせることを望む場合などである。

ＭＥＭＳスイッチ１０の共通コネクタ（例えば、アンカ２０）に対する電気的な基準となる共通ゲート信号を共有することによって、それ以外の場合であれば従来型のＭＥＭＳスイッチに対する耐電圧を超えうる比較的大きな耐電圧が、第１の作動素子と第２の作動素子との間で共有されうる。例えば、第１の接点１２と第２の接点１４との間に２００ボルトの電圧が設定され、共通アンカ２０における電位は１００ボルトにグレード付けされる場合には、第１の接点１２と第１の作動素子１７との間の電圧は約１００ボルトであり、他方で、第２の接点１４と第２の作動素子１９との間の電圧もまた１００ボルトとなる。このように、単一のゲート駆動信号を有するＭＥＭＳスイッチの電圧容量は、効果的に２倍になる。

図２は、本発明の複数の態様を具体化している装置３０のブロック図表現であり、図１のコンテキストにおいて上述したように、Ｂ２ＢＭＥＭＳスイッチ３６を作動させるゲート回路３２の例示的な実施形態を含む。ある例示的な実施形態では、スイッチング回路３４は、共通コネクタによって共に電気的に接続された第１の可動アクチュエータ１７と第２の可動アクチュエータ１９とで構成されたビームを有する少なくとも１つのマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチ３６を含みうる。ある例示的な実施形態では、第１および第２の可動アクチュエータ１７および１９は、共通アンカ２０によってサポートされうる。この共通アンカ２０は、第１の可動アクチュエータ１７と第２の可動アクチュエータ１９とを電気的に相互接続するように構成されている共通コネクタとして機能し、スイッチのそれぞれの第１および第２のゲート２２に印加された単一のゲート制御信号（参照符号Ｖｇが付されている）に応答して第１および第２の可動アクチュエータ１７、１９を通過する電流経路を選択的に確立して（例えば、負荷回路１８に関連して電流Ｉｄを流す）、スイッチの第１および第２の可動アクチュエータを作動させうる。ある例示的な実施形態では、第１および第２の可動アクチュエータ１７および１９が共通アンカ２０に電気的に結合されているため、共通アンカ２０は、アクチュエータ１７、１９の導通経路と同電位にある。

ゲート回路３２は、スイッチの第１および第２のゲート２２に印加される単一のゲート制御信号を生成するように設計されている。ある例示的な実施形態では、ゲート回路３２はドライバチャネル４０を含むが、このドライバチャネル４０は、スイッチの共通コネクタ（例えば、共通アンカ２０）に電気的に結合され（導電性の接続部なし、ガルバニック接続なし）、変動するビーム電圧に対して電気的に浮遊するように構成されており、変動するビーム電圧とゲート回路のローカルな電気的グランドとの間に電気的基準を有する。つまり、ゲート回路３２（すなわち、ゲート回路３２のドライバチャネル４０）は、スイッチの共通コネクタにおける変動する電圧（例えば、変動するビーム電圧）から電気的に絶縁（ガルバニック絶縁）されているが、この変動する電圧に対して電気的基準を有し、共通コネクタは、システムグランド（例えば参照符号Ｂが付されている）と、スイッチとゲート回路とのローカルな共通点（例えば、ローカルな電気的グランドＭ）とに対し、電気的に浮遊するように構成されている。

ある例示的な実施形態では、ゲート回路３２は、ハーフブリッジ回路４２を画定するように接続されている１対のトランジスタ（参照符号Ｔ１およびＴ２が付されている）を含みうる。トランジスタＴ１、Ｔ２は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのソリッドステートトランジスタでありうる。ある例示的な実施形態では、ハーフブリッジ回路４２の第１の側は、スイッチのそれぞれの第１および第２のゲート２２に印加されると第１および第２の可動アクチュエータ１７、１９を作動させるのに十分に高い電圧レベルを受け取る入力段４４（例えば、トランジスタＴ１のドレイン端子）を含みうる。

ある例示的な実施形態では、ハーフブリッジ回路４２の第２の側は（例えば、トランジスタＴ２のソース端子）は、スイッチの共通アンカ２０における電位に対して基準を有しうる。このハーフブリッジ回路の中間ノード４６は、ドライバチャネル４０とスイッチの第１および第２のゲート２２とに電気的に結合されており、スティッチング制御信号（例えば、参照符号オン・オフ制御が付されている）の論理レベルに基づいて、スイッチの第１および第２の可動アクチュエータ１７、１９を作動させるゲート信号を印加するが、標準的な光カプラまたは絶縁変圧器など適切な絶縁デバイス４８によって、電気的に絶縁されうる。ある例示的な実施形態では、ハーフブリッジ回路４２の中間ノード４６は、抵抗素子（例えば、参照符号Ｒｇが付されている）によってスイッチの第１および第２のゲート２２に電気的に結合されうる。

本発明の諸態様がゲート回路のためにハーフブリッジ回路を用いることに限定されないことは、理解されるであろう。当業者には理解されるように、与えられた応用例の特定の必要性に応じて、ゲート回路は、高電圧線形増幅器、圧電変圧器（ＰＺＴ）、電荷ポンプ、光駆動されるゲート回路、コンバータ（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ）、または十分に高速な回線過渡現象に適切に従うことができる任意のゲート回路など、様々な代替的な実施形態による実装が可能である。

ある例示的な実施形態では、電力回路５０は、信号処理モジュール５６（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ）に結合された第１の電圧源５２（参照符号Ｐ１が付されている）を含み、ハーフブリッジ回路４２の入力段４４に供給される十分に高い電圧レベルを生成しうる。電力回路５０は、更に、１対のトランジスタＴ１、Ｔ２のドライバ６０に結合された第２の電圧源５４（参照符号Ｐ２が付されている）を含みうる。ある例示的な実施形態では、ドライバ６０は、インターナショナルレクティファイアー社（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲｅｃｔｉｆｉｅｒ）から市販されている部品番号ＩＲＳ２００１などの標準的なハーフブリッジドライバでありうる。上述したように、本発明の諸態様はハーフブリッジドライバの使用に限定されず、まして、どのような特定のハーフブリッジドライバにも限定されないことが理解されるであろうし、したがって、上述した例は限定を意味するようには解釈されるべきではない。

第２の電圧源５４は、線５７によって浮遊電圧を供給してハーフブリッジドライバ６０のハイ側の出力を付勢するように構成されうる。この浮遊電圧は、ハーフブリッジ回路４２の中間ノード４６における電位に関して基準とされうる。上述した回路の電気的な浮遊と絶縁とにより、ゲート回路３２が、過渡状態の間に共通アンカ２０で生じうる高速変動状態（例えば、変動するビーム電圧）を動的に追跡することが可能になることが理解されるであろう。この動的な追跡は、その共振周期（例えば、共振周波数の逆数）によって一般的に測定される与えられたビームの機械的応答に対して十分に高速でなければならない。なお、共振周期は、約マイクロ秒またはそれよりも更に高速でありうる。本発明の諸態様は、離散的な電圧源を含む電力回路に限定されないことが理解されるであろう。例えば、ある与えられたシステムにおいて、入力段（４４）に対する高電圧レベルが既に利用可能である場合には、そのような高電圧レベルを、第１の電圧源５２と信号処理モジュール５６との代わりに容易に用いることができることが理解されるであろう。ある例示的な実施形態では、第２の電圧源５４は、ドライバ６０のハイ側の出力を比較的長い時間間隔の間（例えば、数日、数週間、または更に長期間）付勢するように浮遊電圧を連続的に供給するように設定することができるが、これは、回路の連続性を中断する接点のそれぞれの組を含みうる負荷保護の応用例（例えば、回路ブレーカ、中継器、接触器、リセット可能なヒューズなど）において有用である。

これは、ブートストラッピングダイオードを含むのが通常である既知の回路において、本発明の諸態様によって提供されるある例示的な実際上の効果を表しているが、結果的には、浮遊電圧をそのように長期間にわたって供給する（例えば、ブートストラッピングダイオードを用いることなく）ことは、本発明の諸態様を具体化するゲート回路を用いることにより、現に実現可能になる。

本発明の諸態様を具体化するプロトタイプの装置は、離散的なコンポーネントを含む回路によって、効果的に示されてきている。しかし、ここで当業者であれば理解されるはずであるが、本発明の諸態様を具体化する回路は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）によって実装可能であることが考えられる。

本発明の諸態様が、直流（ＤＣ）負荷を含みうるもしくは交流（ＡＣ）負荷を含みうるような、信号周波数（例えば、変調周波数）がＭＥＭＳスイッチの周波数スイッチング速度よりも相対的に低い値を有しうるような、または、信号周波数がＭＥＭＳスイッチの周波数スイッチング速度よりも相対的に高い値を有しうる応用例（例えば、無線周波数（ＲＦ）信号）など、様々な応用例において利用可能であることが、理解されるであろう。図２には、更に、それぞれのマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチ３６に電気的に結合されたグレーディドネットワーク７０が図解されている。ある例示的な実施形態では、グレーディドネットワーク７０は、第１の接点１２と共通アンカ２０との間に接続された第１のＲＣ回路７２を含みうる。グレーディドネットワーク７０は、更に、スイッチの第２の接点１４と共通アンカ２０との間に接続された第２のＲＣ回路７４を含みうる。ある例示的な実施形態では、第１および第２のＲＣ回路７２、７４のそれぞれのＲＣ時定数は、スイッチングイベントの間の第１および第２の接点１２、１４におけるそれぞれの電位に対する共通アンカでの電位の変化を動的に平衡させるように選択することができる。ある例示的な実施形態では、限定としてではなく、実際的で例示的なガイドラインとして、グレーディドネットワークのＲＣ時定数は、ＭＥＭＳスイッチの共振周期の約１０分の１程度でありうる。

図３には、図２のコンテキストにおいて上述したように、ゲート回路３２₁、３２₂によってそれぞれ駆動される２つの直列的にスタックされたＢ２ＢＭＥＭＳスイッチ３６₁、３６₂が図解されている。本発明の諸態様によると、これらのゲート回路は、直列的にスタックされたスイッチング回路においてノードＮ、ＭおよびＱなどで生じうる動的にシフトする過渡電圧レベルが存在する場合に適切な動作を提供し、例えばスイッチ３６₁、３６₂などの直列的にスタックされたスイッチのそれぞれに対して、適切なゲート・アンカ間でのバイアスレベルを維持し、そうでない場合にスイッチの接点に生じる可能性がある不所望の過電圧状態を回避する、ということが理解されるであろう。

ノードＮおよびＭはスイッチ３６₁、３６₂のそれぞれのアンカにおけるそれぞれの電位に対応し、他方、ノードＱは、直列的にスタックされたスイッチ３６₁、３６₂の接合点における電位を表すことが理解されるはずである。ノードＱはＢ２ＢＭＥＭＳデバイスの中間点ではなく、したがって、ゲート駆動基準でないことが認められるが、動作においては、このノードも、ＮおよびＭと同様に、均衡していなければならない。本発明の諸態様を具体化するゲート回路により、ノードＮ、ＱおよびＭにおいてそれぞれの電圧がほぼ均一に配分されるように保つことが可能になることを理解されるはずである。

動作においては、それぞれのゲート回路３２₁、３２₂の浮遊と絶縁とによって、これらの回路が、ノードＮ、ＭおよびＱにおいてのシフト条件で、電圧を動的に「移動させる」ことが可能になる。例えば、ノードＮおよびＭ（ゲート電圧Ｖｇ１およびＶｇ２に対するそれぞれの基準）は、例えば、それぞれのＭＥＭＳスイッチ３６₁、３６₂のスイッチング閉鎖イベントの間、グランドＢに向かって動的に移動させることができる。スイッチング閉鎖イベントの前には、これらのノードは例えば数十ボルトまたは数百ボルトでありうるが、上述したように、これらの直列的にスタックされたスイッチのそれぞれに対して、スイッチング閉鎖イベントの間は、それぞれのゲート回路３２₁、３２₂がゲート・アンカ間の適切なバイアスレベルを保証するため、与えられたビームの自由端と与えられたスイッチの対応する接点とにおいてそうでなければ生じうる過電圧状態が回避される、ということが理解されるであろう。

ある例示的な実施形態では、スイッチ３６₁、３６₂は、複数のゲート回路それぞれに同時に印加される単一のスイッチング制御信号（参照符号オン・オフ制御が付されている）に、それぞれが応答する。スイッチング制御信号は、単一の論理レベルのオン・オフ制御から導かれる単一の信号である必要はないことが理解されるであろう。例えば、スイッチング制御は、別個の複数の制御信号によって提供される場合もありうる。

図４は、電気アーク保護回路１００と組み合わせられた図２のゲート回路を含みうる本発明の更なる態様を具体化する装置のブロック図表現である。そのような回路の例示的な実施形態には、ハイブリッドアーク制限技術（ＨＡＬＴ）回路が含まれうる。そのような回路に関する一般的背景情報を望む読者のために、それぞれが「故障状態の間、電気エネルギーを吸収するための回路を備えた、超微小電気機械システムベースアークレススイッチング」（Ｍｉｃｒｏ−ＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄＡｒｃ−ＬｅｓｓＳｗｉｔｃｈｉｎｇＷｉｔｈＣｉｒｃｕｉｔｒｙＦｏｒＡｂｓｏｒｂｉｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｅｒｇｙＤｕｒｉｎｇＡＦａｕｌｔＣｏｎｄｉｔｉｏｎ）と題される米国特許第８，０５０，０００号および第７，８７６，５３８号と、「転流回路」（ＣｕｒｒｅｎｔＣｏｍｍｕｔａｔｉｏｎＣｉｒｃｕｉｔ）と題される米国特許第４，７２３，１８７号とが、例として参照される。これらは、それぞれの全体を本明細書に援用する。当業者であれば、アーク放電保護回路１００が、（例えば、ＭＥＭＳスイッチ３６などの）電気デバイスを、負荷電流および／または障害電流の中断の間のアーク放電から保護しうることを理解するはずである。ある制限的でない応用例において、ＭＥＭＳスイッチのアレイは、例えばモータ始動システムを提供しうる。ある例示的な実施形態では、アーク保護回路１００は、ＭＥＭＳスイッチの接点の間のアーク形成を抑制するように構成されたダイオードブリッジ回路とパルス技術とを含むことがある。そのような実施形態では、アーク形成を抑制することは、そのような接点を流れる電流を効果的に短絡することによって達成できる。

本明細書では以上で本発明の様々な実施形態を示し説明してきたが、これらの実施形態は例示としてのみ提供されていることを理解すべきである。本明細書の本発明から逸脱することなく、多くの変化、変更および置き換えを行うことが可能である。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神と範囲とによってのみ限定されることが意図されている。

１０ＭＥＭＳスイッチ
１２第１の接点
１４第２の接点
１６ビーム
１７第１の作動素子
１８負荷回路
１９第２の作動素子
２０共通コネクタ（アンカ）
２２第１および第２のゲート
２４共通ゲート回路
３０装置
３２ゲート回路
３４スイッチング回路
３６ＭＥＭＳスイッチ
４０ドライバチャネル
４２ハーフブリッジ回路
４４入力段
４６中間ノード
４８絶縁デバイス
５０電力回路
５２第１の電圧源
５４第２の電圧源（２）
５６信号処理モジュール（２）
５７ライン
６０ドライバ
７０グレーディッドネットワーク
７２第１のＲＣ回路
７４第２のＲＣ回路
１００アーク保護回路

Claims

共通コネクタ（２０）によって共に電気的に接続されている第１の可動アクチュエータ（１７）と第２の可動アクチュエータ（１９）とを備えたビーム（１６）を有する少なくとも１つのマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチ（３６）を備えており、前記スイッチの対応する第１および第２のゲート（２２）に印加される単一のゲート制御信号に応答して、前記第１および第２の可動アクチュエータ（１７、１９）を通過する電流経路を選択的に確立し、前記スイッチの前記第１および第２の可動アクチュエータ（１７、１９）を作動させるように構成された、スイッチング回路（３４）と、
前記スイッチの前記第１および第２のゲート（２２）に印加される前記単一のゲート制御信号を生成するゲート回路（３２）であって、前記スイッチの前記共通コネクタ（２０）に電気的に結合されており、変動するビーム電圧に対して電気的に浮遊するように構成され、前記変動するビーム電圧と前記ゲート回路（３２）のローカルな電気的グランドとの間に電気的基準を有するドライバチャネル（４０）を備えた、ゲート回路（３２）と、
を備えているスイッチング装置。
前記共通コネクタ（２０）が、前記第１および第２の可動アクチュエータ（１７、１９）を共にサポートするアンカを備えている、請求項１記載の装置。
前記スイッチング回路（３４）が、直列回路として相互に接続されておりそれぞれの対応するスイッチの前記第１および第２の可動アクチュエータ（１７、１９）を通過する前記電流経路を確立する対応するマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチ（３６₁、３６₂）のアレイを備えており、前記ゲート回路は、対応するゲート制御信号を対応するスイッチの前記対応する第１および第２のゲートに印加して前記対応するスイッチの前記第１および第２の可動アクチュエータ（１７、１９）を作動させるようにそれぞれが構成された対応の複数の更なる対応するゲート回路（３２₁、３２₂）を備えている、請求項１記載の装置。
対応するマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチ（３６₁、３６₂）の前記アレイが、並列回路、直列回路、または両方として接続された更なるマイクロエレクトロメカニカルシステムによって拡張可能である、請求項３記載の装置。
対応するマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチ（３６₁、３６₂）の前記アレイが、オンチップ、オフチップ、または両方に構成されている、請求項４記載の装置。
それぞれの対応するゲート回路（３２₁、３２₂）が、前記対応するスイッチの対応する共通コネクタに電気的に結合されており、前記対応するスイッチの変動するビーム電圧に対して電気的に浮遊するように構成され、前記対応するスイッチの前記変動するビーム電圧と前記対応するゲート回路のローカルな電気的グランドとの間に電気的基準を有する対応するドライバチャネル（４０）を備えている、請求項３記載の装置。
前記複数の対応するゲート回路（３２₁、３２₂）が、前記複数の対応するゲート回路に同時的にまたは非同時的に印加される単一のスイッチング制御信号または別々の制御信号に応答する、請求項３記載の装置。
前記ゲート回路（３２）が、ハーフブリッジ回路（４２）を画定するように接続された１対のトランジスタを備えており、前記ハーフブリッジ回路（４２）の第１の側は、前記スイッチの前記対応する第１および第２のゲート（２２）に印加されると前記第１および第２の可動アクチュエータ（１７、１９）を作動させるのに十分な電圧レベルを受け取る入力段（４４）を備え、前記ハーフブリッジ回路の第２の側は、前記スイッチの前記共通コネクタ（２０）における電位を基準とし、前記ハーフブリッジ回路（４２）の中間ノード（４６）は、前記ドライバチャネル（４０）と前記スイッチの前記第１および第２のゲート（２２）とに電気的に結合されており、スイッチング制御信号の論理レベルに基づいて前記スイッチの前記第１および第２の可動アクチュエータ（１７、１９）を作動させるように前記ゲート信号を印加する、請求項１記載の装置。
前記ゲート回路（３２）が、ハーフブリッジ回路、線形増幅器、圧電変圧器、電荷ポンプ、コンバータ、および光駆動ゲート回路からなる群から選択される回路を備えている、請求項１記載の装置。
前記ハーフブリッジ回路の前記中間ノード（４６）が、抵抗素子によって前記スイッチの前記第１および第２のゲート（２２）に電気的に結合されている、請求項８記載の装置。
信号処理モジュール（５６）に結合され前記ハーフブリッジ回路（７２）の前記入力段（４４）に供給される前記電圧レベルを生成する第１の電圧源（５２）を備えた電力回路（５０）を更に備えており、前記電圧レベルは、前記スイッチの前記共通コネクタ（２０）における電位に関する基準となる、請求項１記載の装置。
前記電力回路（５０）が前記１対のトランジスタのドライバ（６０）に結合された第２の電圧源（５４）を更に備え、前記第２の電源モジュールが前記１対のトランジスタの前記ドライバのハイ側の出力（５７）を付勢する浮遊電圧を供給するように構成され、前記浮遊電圧が前記ハーフブリッジ回路（４２）の前記中間ノード（４６）における電位に関する基準となる、請求項１１記載の装置（３０）。
前記第２の電圧源（５４）を、比較的長い時間周期の間前記１対のトランジスタの前記ドライバの前記ハイ側の出力を付勢する前記浮遊電圧を連続的に供給するように設定可能である、請求項１２記載の装置。
前記対応するマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチ（３６）に電気的に結合されたグレーディドネットワーク（７０）を更に備えており、前記グレーディドネットワーク（７０）が、前記スイッチの前記第１の可動アクチュエータ（１７）に接続可能な第１の接点（１２）と前記共通コネクタ（２０）との間に接続された第１のＲＣ回路（７２）を備え、前記スイッチの前記第２の可動アクチュエータ（１９）に接続可能な第２の接点（１４）と前記共通コネクタ（２０）との間に接続された第２のＲＣ回路（７４）を更に備え、前記第１および第２のＲＣ回路（７２、７４）の対応する時定数が、スイッチングイベントの間に、前記第１および第２の接点（１２、１４）における対応する電位に対し、前記共通コネクタ（２０）における電位の変化を動的に平衡させるように選択される、請求項１記載の装置。
請求項１記載の装置を備えた接点の組。
前記スイッチング回路（３４）によって確立される前記電流経路が負荷に動作的に結合されており、前記負荷が、直流（ＤＣ）負荷、交流（ＡＣ）負荷、および無線周波数（ＲＦ）負荷からなる群から選択される負荷を含んでいる、請求項１記載のスイッチング装置。
前記スイッチング回路（３４）によって確立される前記電流経路が交流（ＡＣ）負荷に動作的に結合されており、前記ＡＣ負荷が、前記スイッチの周波数スイッチング速度よりも相対的に低い周波数値を有する信号と前記スイッチの前記周波数スイッチング速度よりも相対的に高い周波数値を有する信号とからなる群から選択される、請求項１記載のスイッチング装置。
前記マイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチ（３６）の対応する接点（１２）の間に結合された電気アーク保護回路を更に備えている、請求項１記載のスイッチング装置。