JP5591629B2 - 半導体装置、及び静電アクチュエータの駆動方法 - Google Patents
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Description
図1は、実施形態に係る半導体装置10の構成を示すブロック図である。半導体装置10は、静電アクチュエータ11と、静電アクチュエータ11を駆動するための2個のスイッチ回路12及び13と、スイッチ回路12及び13に電圧Vholdを供給するチャージポンプ(CP)14と、静電アクチュエータ11の絶縁膜に蓄積された電荷量を検知する電荷検知回路15と、電荷検知動作に必要な電圧を生成する電圧生成回路16と、2個のローパスフィルタ(LPF)17及び18と、半導体装置10の動作を制御する制御回路19とを備えている。
MEMS可変容量11は、2個のポートP1及びP2を備えており、例えば、ポートP1は高周波信号を転送する信号線に接続され、ポートP2は接地される。MEMS可変容量11は、2個の可変容量素子CMEMS1及びCMEMS2と、2個の固定容量素子CMIM1及びCMIM2とを備えている。
次に、スイッチ回路12及び13の構成について説明する。スイッチ回路12及び13は、MEMS可変容量11を駆動する駆動回路である。スイッチ回路12及び13の構成は同じであり、以下にスイッチ回路12を例に挙げて説明する。なお、図2には、スイッチ回路12の回路構成のみ図示している。
次に、電荷検知回路15の構成について説明する。MEMS可変容量11がアップ状態とダウン状態とを繰り返すと、上部電極45と下部電極43及び44との間の絶縁膜46に電荷が蓄積される、いわゆるチャージングが発生する。この蓄積電荷量がある閾値以上になると、上部電極45が絶縁膜46から離れなくなる、いわゆるスティクション不良が発生する。電荷検知回路15は、絶縁膜46に蓄積された電荷量を、MEMS可変容量11の容量から判定するものである。
CREF1=(CMEMS1_up+CMEMS1_dn)/2
CMEMS1_upは、MEMS可変容量11がアップ状態における可変容量素子CMEMS1の容量である。CMEMS1_dnは、MEMS可変容量11がダウン状態における可変容量素子CMEMS1の容量である。
CREF2=(CMEMS2_up+CMEMS2_dn)/2
CMEMS2_upは、MEMS可変容量11がアップ状態における可変容量素子CMEMS2の容量である。CMEMS2_dnは、MEMS可変容量11がダウン状態における可変容量素子CMEMS2の容量である。
先ず、MEMS可変容量11の動作について説明する。アップ状態では、上部電極45と下部電極43(又は、44)との電位差は、プルイン電圧未満である。プルイン電圧とは、上部電極45が下に動くために要する電圧であり、上部電極45が下部電極43に引き付けられる静電引力がバネ47の復元力よりも大きくなる電圧である。ダウン状態は、例えば、スイッチ回路12が上部電極45に接地電圧Vssを印加し、スイッチ回路13が下部電極43及び44に接地電圧Vssを印加することで実現できる。具体的な動作としては、スイッチ回路12及び13の各々において、NMOSFET23がオンし、ノードN1が接地電圧Vssまで放電される。
(2)NMOSFET21:オフ
(3)NMOSFET22:オン
ステップ(1)において、ブーストキャパシタCBTがチャージポンプ14によって充電され、ノードN1が電圧Vhold付近に設定される。この電圧Vholdは、MEMS可変容量11のホールド電圧であり、プルイン電圧未満に設定される。したがって、この時点では、MEMS可変容量11はアップ状態のままである。プルイン電圧とは、上部電極45が下に動くのに要する電圧である。ホールド電圧とは、上部電極45が下に動いて絶縁膜46と接触した後、この状態を保持するのに要する電圧である。
以下に、本実施形態の動作1に係る半導体装置10の実験結果について説明する。半導体装置10の実験結果を測定するに当たって、下記表に示す数値を用いた。また、表の(1)〜(3)と条件を変えて3パターンの測定を行った。
図9から理解できるように、3つの条件(1)〜(3)のどれを取っても、電位差δVが大きくなっている。
次に、MEMS可変容量11を駆動する際に、下部電極43と上部電極45との間に、下部電極43から上部電極45へ向かう電界(下向きの電界)を印加する例について説明する。
以下に、本実施形態の動作2に係る半導体装置10の実験結果について説明する。半導体装置10の実験結果を測定するに当たって使用したパラメータの数値は、上記表と同じである。
図12から理解できるように、3つの条件(1)〜(3)のどれを取っても、電位差δVが大きくなっている。
図13は、半導体装置10の他の構成例を示すブロック図である。半導体装置10は、n(nは2以上の整数)個のバンクBK1〜BKnを備えている。各バンクBKは、図1の回路と同じである。なお、チャージポンプ14、電圧生成回路16及び制御回路19は、複数のバンクBKで共用される。このようなバンク構造を有する半導体装置10でも、各バンクBKが前述した動作を行うことができる。
以上詳述したように本実施形態では、半導体装置10は、上部電極45及び下部電極43(若しくは44)とこれらの間に設けられた絶縁膜46とを有する静電アクチュエータ11と、この絶縁膜46に蓄積された電荷量を検知する電荷検知回路15とを備えている。電荷検知回路15は、上部電極45及び下部電極43のうち寄生容量が小さい方(本実施形態では、上部電極45側)に接続される。そして、電界を下向きに印加する第1の電荷検知動作において、上部電極45にモニタ電圧Vmonを印加した状態で、上部電極45をブーストするブーストキャパシタCBTの一端に電圧Vholdを印加する。この時の上部電極45の電圧変化量を電荷検知回路15により検知することで、モニタ電圧Vmonが印加された状態で静電アクチュエータ11がアップ状態であるかダウン状態であるかを判定するようにしている。
Claims (4)
- 第1及び第2の下部電極と、前記第1及び第2の下部電極の上方にアンカーによって支持されかつ下に駆動する上部電極と、前記第1及び第2の下部電極と前記上部電極との間に設けられた絶縁膜とを有し、前記第1の下部電極及び前記上部電極から構成される第1の可変容量素子と、前記第2の下部電極及び前記上部電極から構成される第2の可変容量素子とを有する静電アクチュエータと、
前記第1の下部電極に接続された第1の固定容量素子と、
前記第2の下部電極に接続された第2の固定容量素子と、
前記第1及び第2の下部電極及び前記上部電極のうち前記上部電極のみに接続され、前記絶縁膜に蓄積された電荷量を検知する検知回路と、
を具備することを特徴とする半導体装置。 - 下部電極と、前記下部電極の上方にアンカーによって支持されかつ下に駆動する上部電極と、前記下部電極及び前記上部電極間に設けられた絶縁膜とを有する静電アクチュエータと、
前記絶縁膜に蓄積された電荷量を検知する検知回路と、
を具備し、
前記上部電極の寄生容量は、前記下部電極の寄生容量より小さく、
前記検知回路は、前記下部電極及び前記上部電極のうち前記上部電極のみに接続されることを特徴とする半導体装置。 - 前記上部電極に第1の電極が接続されたブーストキャパシタを有し、前記下部電極及び前記上部電極間に下向きの電界を印加して前記上部電極を下に駆動し、前記静電アクチュエータをダウン状態にする駆動回路と、
前記絶縁膜に蓄積された電荷量が閾値以上であるか否かを判定するためのモニタ電圧を生成する電圧生成回路と、
前記静電アクチュエータがダウン状態において前記上部電極に前記モニタ電圧を印加した後、前記ブーストキャパシタの第2の電極に第1の電圧を印加する制御回路と、
をさらに具備し、
前記検知回路は、前記第1の電圧の印加時に、前記上部電極の電圧変化量を検知することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 - 前記下部電極及び前記上部電極間に上向きの電界を印加して前記上部電極を下に駆動し、前記静電アクチュエータをダウン状態にする駆動回路と、
前記絶縁膜に蓄積された電荷量が閾値以上であるか否かを判定するためのモニタ電圧を生成する電圧生成回路と、
前記静電アクチュエータがダウン状態において前記下部電極に前記モニタ電圧を印加した後、前記下部電極に第1の電圧を印加する制御回路と、
をさらに具備し、
前記検知回路は、前記第1の電圧の印加時に、前記上部電極の電圧変化量を検知することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
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