JP2016520257A - 寿命改善のためのmemsdvc制御波形を制御する方法および手法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、一般に、MEMS DVCを動作させながら、コンタクト表面へのMEMSデバイスの衝撃を最小化する方法に関する。MEMSデバイスのプルイン運動時の駆動電圧を低減することによって、コンタクト表面に向かうMEMSデバイスの加速が減少し、衝撃速度は減少し、MEMS DVCデバイスの発生する損傷が少なくなる。

Description

本発明の実施形態は、一般に、マイクロ電気機械システム(MEMS)デバイスでのスイッチの衝撃を低減する方法に関する。
デジタル可変キャパシタ(DVC)が静電気力で動作する。この機構では、電圧VがMEMSデバイスと制御電極との間に印加された場合、力が可動MEMSデバイスに作用する。この静電気力は(V/ギャップ)で増減する。機械的対抗力は、スプリング懸架システムから由来し、典型的には変位とともに線形的に増減する。結果は、電圧Vが増加するにつれて、MEMSデバイスは、制御電極に向かって一定の距離δだけ移動する。この移動は、ギャップを減少させ、続いて静電気力をさらに増加させる。小さな電圧では、初期位置と電極との間に平衡位置が見つかる。しかしながら、電圧が特定の閾値レベル(即ち、プルイン(引き込み)電圧)を超えた場合、デバイス変位は、静電気力が機械的対抗力より速く立ち上がり、デバイスは、コンタクト表面と接触するまで制御電極に向けて迅速にスナップイン(即ち、移動)するようになる。
幾つかのDVCが、図1に概略的に示すように、可動MEMSデバイス(即ち、図1のプレート)の上方に制御電極(即ち、プルアップ(引き上げ)またはプルオフ(引き離し)またはPU電極)、および下方に制御電極(即ち、プルダウン(引き下げ)またはプルイン(引き込み)またはPD電極)を有する。さらに、可動MEMSデバイスの下方にRF電極が存在する。動作の際、MEMSデバイスは、引き上げまたは引き下げられて接触し、RF電極に対して安定した最小容量または最大容量を提供する。こうして可動デバイスからRF電極(可動デバイスの下方に位置する)までの容量が、図2に示すように下部に引かれた場合の高容量Cmaxから、図3に示すように上部に引かれた場合の低容量Cminまで変化できる。
製造において、MEMSデバイスは、例えば、層厚、応力レベルなどの製造公差に起因して、プルイン電圧の変動を示すようになる。さらに、幾つかのMEMSデバイスは、安定した容量を提供するために、プルイン電極に印加されるプルイン電圧を超える一定の過電圧を必要とする。さらに、CMOSコントローラは、製造公差に起因して、利用可能な電圧レベルの変動を示すようになる。その結果、プル電極に印加される電圧レベルは、典型的には製造公差に対する充分なマージンを提供するように設計される。
この高い電圧レベルがプルイン電極に極めて素早く印加された場合、MEMSデバイスは、プルイン電極に向けて極めて素早く殺到するようになる。理由は、MEMSデバイスが、引き込みに必要なものよりかなり大きい静電気力を直ちに経験するためである。これは、始動からプル電極に向けてMEMSデバイスの加速を導くことになり、コンタクト表面に対して損傷を引き起こす高い衝撃速度を生じさせる。
従って、コンタクト表面へのMEMSデバイスの衝撃を低減するためのニーズが先行技術において存在する。
本発明は、一般に、MEMS DVCを動作させながら、コンタクト表面へのMEMSデバイスの衝撃を最小化する方法に関する。MEMSデバイスのプルイン運動時の駆動電圧を低減することによって、コンタクト表面に向かうMEMSデバイスの加速が減少し、衝撃速度は減少し、MEMS DVCデバイスの発生する損傷が少なくなる。
一実施形態において、MEMS DVCデバイスを動作させる方法が、
第1電圧を第1期間に電極に印加することと、
第1電圧を第2電圧に増加させ、この増加は第2期間に生ずることと、
第2電圧を第3電圧に減少させ、この減少は第3期間に生ずることと、
第3電圧を第4電圧に増加させ、この増加は第4期間に生ずることとを含む。
他の実施形態において、MEMS DVCデバイスが、
第1電極であって、その上に第1誘電体層が設けられ、第1コンタクト表面を有する第1電極と、
第2電極であって、その上に第2誘電体層が設けられ、第2コンタクト表面を有する第2電極と、
第1コンタクト表面と第2コンタクト表面との間にある可動のMEMSデバイスと、
第1電極または第2電極のいずれかに接続された第1電極電圧ドライバとを備える。
第1電極電圧コントローラは、
第1電圧を第1期間に、第1電極または第2電極のいずれかに印加し、
第1電圧を第2電圧に増加させ、この増加は第2期間に生じさせ、
第2電圧を第3電圧に減少させ、この減少は第3期間に生じさせ、
第3電圧を第4電圧に増加させ、この増加は第4期間に生じさせるように構成される。
本発明の上記特徴が詳細に理解できるような方法で、上記のように短く要約した本発明についてのより詳細な説明が実施形態を参照して行われ、その幾つかを添付図面に図示している。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態だけを図示しており、よってその範囲の限定と考えるべきでなく、本発明は他の等しく有効な実施形態を認めていることに留意すべきである。
独立状態でのDVCのMEMSデバイスの概略断面図である。 max状態でのDVCのMEMSデバイスの概略断面図である。 min状態でのDVCのMEMSデバイスの概略断面図である。 高速電圧ランプ駆動DVCデバイスの衝撃速度を説明するグラフを示す。 低速電圧ランプ駆動DVCデバイスの衝撃速度を説明するグラフを示す。 スルーレート抵抗を用いた電流飢餓(starved)電圧ドライバを示す。 スルーレート電流を用いた電流飢餓電圧ドライバを示す。 電流飢餓電圧ドライバ駆動のDVCデバイスについての衝撃速度を説明するグラフを示す。 電流源を用いた回路実装の概略図である。 一実施形態に係るHVSW設計を示す。 一実施形態に係るHVm3発生器を示す。
理解を促進するために、図面に共通した同一の要素を指定するために、可能であれば、同一の参照符号を使用している。一実施形態に開示された要素が、特別の記載なしで他の実施形態に有益に利用できることが想定される。
本発明は、一般に、MEMS DVCを動作させながら、コンタクト表面へのMEMSデバイスの衝撃を最小化する方法に関する。MEMSデバイスのプルイン運動時の駆動電圧を低減することによって、コンタクト表面に向かうMEMSデバイスの加速が減少し、衝撃速度は減少し、MEMS DVCデバイスの発生する損傷が少なくなる。
MEMS DVCは、他の成熟した技術、例えば、シリコンまたはGaAs技術などにと比べて優れた性能改善を示すが、種々の課題のため、未だ多くの用途には広く使用されていない。1つの課題であるMEMS寿命は、MEMS構造自体によって、あるいはMEMSを制御する波形によって改善できる。MEMSデバイスは、電圧を電極に印加することによって移動する。印加される電圧は、MEMSデバイスを移動させるのに充分に高いことが必要になる。高い電圧がプルイン電極に極めて素早く印加された場合、MEMSデバイスは、プルイン電極に向けて極めて素早く殺到するようになる。理由は、MEMSデバイスが、引き込みに必要なものよりかなり大きい静電気力を直ちに経験するためである。これは、始動からプル電極に向けてMEMSデバイスの加速を導くことになり、コンタクト表面に対して損傷を引き起こす高い衝撃速度を生じさせる。
このことを図4に示しており、MEMS DVCデバイスは、制御電圧Vbottom=HVおよびVtop=0Vによって、最初に下部に着地している。t=t0において、下部電圧が解除され、上部電極Vtopが印加される(Vbottom=0V、Vtop=HV)。デバイスは、電極に衝突するまで上部に直ちに加速され、t=t1,t2,t3において約2m/sの初期衝撃速度で数回跳ね返る。MEMSデバイスでは、この衝撃速度は、コンタクト表面の構造的損傷をもたらすことがあり、寿命に多大な影響を及ぼす。
僅かな改善を伴う1つの電圧駆動法を図5に示しており、MEMS DVCデバイスはまた、制御電圧Vbottom=HVおよびVtop=0Vによって、最初に下部に着地している。t=t0において、下部電圧が解除され(Vbot=0V)、上部電極Vtopが0からHVにゆっくり上昇する(この図の時間スケールは、図4の時間スケールより大きい)。デバイスが、下部電極から解放されるとすぐに、自由に振動しつつ、上部制御電圧が上昇する。振動が消滅する速度は、MEMSデバイスのQ値に依存し、これは空洞内の圧力(スクイズ膜ダンピング)およびMEMSデバイス自体の内部損失に関係する。デバイスは、電圧が必要なプルイン電圧レベルに到達した場合、t=t1において上部電極に引き込む。この時点でかなりのオーバー駆動が存在しないため、衝撃速度は、約0.6m/sに減少する。電圧は、上昇し続けて、t=t2においてその最終値に到達する。制御方式は、図4の高速電圧駆動方式から既に改善されているが、この衝撃速度は未だかなり高く、コンタクト表面の構造的損傷をもたらし、早期の寿命故障をもたらす。
ここで議論したように、MEMSデバイスの引き込み移動時の駆動電圧を減少させることは、コンタクト表面に向かうMEMSデバイスの加速を低減し、衝撃速度を低減する。MEMSデバイスの引き込み移動時の駆動電圧を減少させる主な利点は、MEMSの歩留まりおよび寿命を著しく改善することである。駆動電圧を減少させることは、コンタクト表面に対する衝撃損傷を低減する。該波形(即ち、駆動電圧の減少)なしで、MEMSデバイスは、数百万サイクルだけ周期運動できる。寿命改善した波形では、MEMSデバイスは、デバイス性能の損失なしで、数十億サイクルの周期運動が可能である。他の利点は、制御ラインでのピーク電流が減少することであり、これはシステム内のノイズを低減し、回路設計の電力負荷に対してあまり厳しい要求を課さない。
ここで議論したように、上述した低速電圧上昇駆動方式の変形が利用される。この低速電圧上昇に加えて、駆動電圧は、自己制御機構によって、MEMSデバイスのスナップイン時に劇的に減少する。電圧の減少は、電極に向かうMEMSデバイスの加速を減少させ、劇的に減少した衝撃速度をもたらす。
MEMSデバイスが移動すると、MEMSデバイスと制御電極との間の容量が変調される。その結果、コントローラによって提供される必要がある、制御キャパシタを流れる電流も変調される。
Figure 2016520257
標準キャパシタにおいて、電流は、C*dV/dtによって与えられるだけである。しかしながら、キャパシタは、時間とともに変調されるため、追加の電流V*dC/dtが必要になる。MEMSデバイスのスナップイン(即ち、移動)時に、容量は急に増加し、コントローラが供給すべき必要な電流は、指数関数的に増加する。コントローラが配給できる電流を制限することによって、電極での実際の電圧は、スナップイン時に減少する。
電極電圧ドライバの2つの概略的な実装例を図6と図7に示す。基本的なドライバは、2つのトランジスタからなり、M1は、Vcontrolを高い電圧レベルHVに引き、M2は、出力電圧Vcontrolをグランドに引く。Vcontrolは、MEMSデバイス(容量Ccontrolで表す)のプルアップまたはプルダウン電極と接続される。各MEMS DVCデバイスは、これらの制御ドライバの2つを有し、一方はプルアップ電極と接続され、もう一方はプルダウン電極と接続される。M1と直列に電流制限デバイスがあり、抵抗Rsl(図6)またはスルーレート制限電流源Isl(図7)である。
M1がオンになると、出力電圧Vcontrolは、RslまたはIslによって制限され、HVまでゆっくり上昇する。制御電圧の立上り時間は、Rsr*Ccontrol(図6)またはCcontrol/Isr(図7)に対応しており、MEMSデバイスの制御容量と関連して作動するために、RsrまたはIsrについて適切な値を選択することによって制御される。VcontrolがMEMSデバイスのプルイン電圧に到達すると、スナップインして、Ccontrolが増加する。駆動電流が既に向きを変えているため、ドライバが配給できる電流はこれ以上にはならない。その結果、制御電極での電圧が降下する(C*V=一定)。
このことは、図8において見ることができ、MEMSデバイスは、制御電圧Vbottom=HVおよびVtop=0Vによって、最初に下部に着地している。t=t0において、下部電圧が解除され(Vbot=0V)、上部電極Vtopが0からHVにゆっくり上昇する。下部電圧が解除されると、第1電圧(即ち、上部電圧)が最初に印加される。デバイスが、下部電極から解放されるとすぐに、自由に振動(即ち、震える)しつつ、上部制御電圧が上昇する(即ち、増加する)。このことは、制御容量Ccontrolを変調する。制御ドライバは、既に最大電流(RsrまたはIsrによって制限される)を供給しているため、制御容量変調は、制御ドライバの出力においてVcontrolの変調として現れる。振動が消滅する速度は、MEMSデバイスのQ値に依存し、これは空洞内の圧力(スクイズ膜ダンピング)およびMEMSデバイス自体の内部損失に関係する。
t=t1において、電圧がMEMSのプルイン電圧(即ち、第2電圧)に到達し、デバイスは、制御電極に向かって急に加速しつつ、振動している。その結果、制御容量は増加し、制御ドライバは電流飢餓(starved)になり、制御電圧は降下する。制御電圧は降下するため(即ち、プルアップに印加される電圧は、第2電圧から第3電圧に減少する)、MEMSデバイスは、振動し続けながら、より遅い速度ではあるが、コンタクトポイントに向けて移動し続ける(即ち、プルアップ電極の上にある誘電体層)。t=t2において、MEMSデバイスは、コンタクトポイントに着地して振動を停止し、制御電圧の降下のため、MEMSに作用する静電気力は減少し、MEMSの加速が減少し、大幅に減少した衝撃速度をもたらす。
デバイスがt=t2において着地し、制御電圧が第3電圧に降下した後、制御電圧は、HV(即ち、第4電圧)まで上昇し続ける。しかしながら、着地状態での制御容量はより高いため、電圧上昇レートは減少する(立上りはCcontrolに対応する)。t2からt3への電圧増加の際、MEMSデバイスは、振動無しで、コンタクトポイントと接触したままである。t=t3において、制御容量は最終値HVに到達する。第3電圧から第4電圧への電圧増加の際、MEMSデバイスは、コンタクトポイントとよりしっかり接触して引き込まれる。
図9に示す実装例は、この制御方式が、LDMOSデバイスを用いたCMOS技術において実装可能である可能性のある方法の1つを示す。スルーレート電流源の実装は、HVを基準とするカレントミラーを提供することを必要とする。図9は、どのように基準電流が発生するかを示す回路ブロック図を示す。
バンドギャップは、プロセス、温度および電圧変動に対して極めて安定な基準電圧を発生する(例えば、PVTと比べて10mV未満)。バンドギャップ電圧は、V2Iブロックにおいて基準電流に変換される。そして、I2Iブロックは、この電流の基準をHVとする。HVSW(高電圧スイッチ)は、基準電流Isrを使用して、出力スルーレートを設定する制御ドライバ(図7参照)である。HVSWは、図10に示すように、レベルシフタ、バッファおよびHVm3発生器からなる。レベルシフタは、HVまで動作するバッファのための制御信号を発生する。バッファの出力電流は、スルーレート電流Isrによって、またはスルーレート抵抗Rsrによって制限される。スルーレート抵抗の実装を使用した場合、バンドギャップ、V2IブロックおよびI2Iブロックは、HVSWにとって要求されない。
図10のレベルシフタは、入力トランジスタM5,M6によって駆動されるクロス結合トランジスタ対M1,M2からなる。LDMOS技術では、Vgsは、典型的には5V未満に制限する必要がある。従って、カスコードトランジスタM3,M4が、レベルシフタに入力トランジスタM5,M6とクロス結合トランジスタM1,M2との間に追加される。カスコードのためのバイアス電圧は、図11に示すHVm3発生器を用いて発生する。それは、HVm3=HV−3Vを発生し、これは多数の直列接続LDPMOSデバイス(図11参照)において、数Vgs降下とともにHVから導出される。HVm3発生器での低電圧デバイスは、ゲートがVDDに接続されたLDNMOSを用いてHVから絶縁される。高電圧プロセス技術では、カスコードトランジスタM3,M4を除去した後、同じ回路トポロジーがレベルシフタのために使用できる。
MEMS DVCがプルイン電極で通電され、プルアップ電極でオフになる(即ち、出力電圧Vcontrolが0Vのままである)ことを確保するために、トランジスタM2は、トランジスタM1よりも約10%だけ強く製作してもよい。こうしてノードN2での電圧は、始動時に高くラッチされ、これはHVSWバッファへの電流をオフにし、Vcontrolの電圧が上昇するのを防止する。HVおよびHVm3が充分に高く充電されるとすぐに、トランジスタM2はオンになり、ノードN2における電圧を増加させる。ノードN2の電圧はHVに追従し、これはM1をオフに維持する(そのVgs=0V)。ノードN1での電圧は低いままであり、M3はオフになる。
M1およびM3の両方がオフであるため、ノードN1での電圧は未定義であり、任意の値を推定できる。クランプダイオードなしで、ノードN1での電圧は、トランジスタM1を損傷し得る極めて低い値を推定できる。これは、通常動作時に真実である。トランジスタM1,M3がオフであり、ノードN1での電圧は未定義であり、あるいは、トランジスタM2,M4がオフであり、ノードN2での電圧は未定義である。ノードN1とHVm3との間、そしてノードN2とHVm3との間にクランプダイオードを追加することによって、ノードN1,N2での電圧は、HVm3−(ダイオード電圧降下)より低くなり、これはM1,M2での電圧降下が、これらのトランジスタの安全動作領域内に留まるのを確保する。
プルイン電極またはプルアップ電極に印加される電圧を制御することによって、MEMSデバイスがコンタクト表面に衝撃を与える速度が制御でき、そのためMEMSデバイス衝撃が、一定で高い電圧で発生するものより少なくなる。印加される電圧を制御することによって、デバイス性能の損失なしで、MEMS DVCの寿命を数十億サイクルに増加できる。
上記記載は、本発明の実施形態に関するものであるが、本発明の他のおよび追加の実施形態が、その基本的範囲から逸脱することなく考案でき、その範囲は後記の請求項によって決定される。

Claims (20)

  1. MEMS DVCデバイスを動作させる方法であって、
    第1電圧を第1期間に電極に印加することと、
    第1電圧を第2電圧に増加させ、この増加は第2期間に生ずることと、
    第2電圧を第3電圧に減少させ、この減少は第3期間に生ずることと、
    第3電圧を第4電圧に増加させ、この増加は第4期間に生ずることと、を含む方法。
  2. 第2電圧は、MEMSデバイスを電極に向けて引き込ませるのに充分である請求項1記載の方法。
  3. MEMSデバイスは、電極に向けて移動し続けながら、第2電圧を第3電圧に減少させる請求項2記載の方法。
  4. 第4期間において、MEMSデバイスは、プルイン電極の上に設けられた誘電体層とより密着した接触となるように引き込まれる請求項3記載の方法。
  5. 第2電圧から第3電圧への減少は、誘電体層上でのMEMSデバイスの衝撃速度を低減する請求項4記載の方法。
  6. 第2電圧から第3電圧への減少のとき、MEMSデバイスは振動する請求項5記載の方法。
  7. 第1電圧を第2電圧に増加させる際、MEMSデバイスは、第2電圧から第3電圧への減少のときより大きい周波数で振動する請求項6記載の方法。
  8. 第2電圧から第3電圧へ減少させるとき、MEMSデバイスは、電極に向けて移動し続けながら振動する請求項7記載の方法。
  9. 第3期間の終わりに、MEMSデバイスは、コンタクト表面に衝撃を与える請求項8記載の方法。
  10. 第1電圧から第2電圧への増加のとき、MEMSデバイスの振動は減少する請求項9記載の方法。
  11. MEMS DVCデバイスであって、
    第1電極であって、その上に第1誘電体層が設けられ、第1コンタクト表面を有する第1電極と、
    第2電極であって、その上に第2誘電体層が設けられ、第2コンタクト表面を有する第2電極と、
    空洞内に設けられ、第1コンタクト表面と第2コンタクト表面との間にある可動のMEMSデバイスと、
    第1電極または第2電極のいずれかに接続された第1電極電圧ドライバとを備え、
    第1電極電圧コントローラは、
    第1電圧を第1期間に、第1電極または第2電極のいずれかに印加し、
    第1電圧を第2電圧に増加させ、この増加は第2期間に生じさせ、
    第2電圧を第3電圧に減少させ、この減少は第3期間に生じさせ、
    第3電圧を第4電圧に増加させ、この増加は第4期間に生じさせるように構成される、MEMS DVCデバイス。
  12. 第1電極電圧ドライバは、
    第1トランジスタと、
    ノードにおいて、第1トランジスタに接続された第2トランジスタとを備え、
    該ノードは、第1電極または第2電極のいずれかに接続されている請求項11記載のMEMS DVC。
  13. 第1トランジスタに接続された抵抗をさらに備える請求項12記載のMEMS DVC。
  14. 第1電極電圧ドライバは、第1電極に接続されている請求項13記載のMEMS DVC。
  15. 第2電極に接続された第2電極電圧ドライバをさらに備える請求項14記載のMEMS DVC。
  16. 第2電極電圧ドライバは、第1電極電圧ドライバと実質的に同一である請求項15記載のMEMS DVC。
  17. 第1トランジスタに接続されたスルーレート制限電流源をさらに備える請求項12記載のMEMS DVC。
  18. 第1電極電圧ドライバは、第1電極に接続されている請求項17記載のMEMS DVC。
  19. 第2電極に接続された第2電極電圧ドライバをさらに備える請求項18記載のMEMS DVC。
  20. 第2電極電圧ドライバは、第1電極電圧ドライバと実質的に同一である請求項19記載のMEMS DVC。
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