TWI497897B - 半導體裝置及靜電致動器之驅動方法 - Google Patents
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Description
本文所說明的實施例係有關半導體裝置及靜電致動器之驅動方法。
作為用以實現近來電子裝置的微型化、亮度、低電力耗損、和高度複雜功能之技術的其中之一，微電子機械系統(MEMS)的技術已受到許多關注。MEMS為具有藉由矽處理技術所組成之較小機械元件及電子電路元件的系統。
使用MEMS之靜電致動器係使用於射頻(RF)MEMS可變電容器或RF-MEMS開關。例如，靜電致動器包括下電極、上電極、及配置在電極之間的絕緣膜。為了將靜電致動器從增強(up)狀態位移到減弱(down)狀態，電位差被施加在下電極與上電極之間，以驅動上電極。
通常，根據一個實施例，設置有半導體裝置，包括：靜電致動器，包括第一和第二下電極、藉由錨部而被支撐在第一和第二下電極上方且被組構成向下移動之上電極、及設置在上電極與第一和第二下電極之間的絕緣膜，第一下電極和上電極組構第一可變電容元件，第二下電極和上電極組構第二可變電容元件；第一固定電容元件，係連接到第一下電極；第二固定電容元件，係連接到第二下電極；以及偵測電路，係連接到上電極且被組構成偵測儲存在絕緣膜中之電荷量。
下面將參考附圖來說明實施例。在隨後的說明中，相同或功能性相等的元件係以相同參考號碼來予以代表，藉以簡化說明。
圖1為根據一個實施例之半導體裝置10的組態之方塊圖。半導體裝置10包括靜電致動器11；被組構成驅動靜電致動器11的兩個切換電路12及13；充電泵(CP)14，其供應電壓Vhold到切換電路12及13；電荷偵測電路15，其偵測儲存在靜電致動器11的絕緣膜中之電荷量；電壓產生電路16，其產生電荷偵測操作所需的電壓；兩個低通濾波器(LPF)17及18；以及控制電路19，其控制半導體裝置10的操作。
作為靜電致動器11，可使用MEMS可變電容器或MEMS開關，及在此實施例中，說明使用MEMS可變電容器作為例子之實例。充電泵14升壓電源電壓Vdd，以產生高於電源電壓Vdd之電壓Vhold。
圖2為圖1所示之半導體裝置10的電路圖。接著，說明MEMS可變電容器11、切換電路12及13、和電荷偵測電路15的詳細組態。
MEMS可變電容器11包括兩個埠P1及P2，例如，埠P1係連接到用以轉移高頻訊號之訊號線，而埠P2則被接地。MEMS可變電容器11包括兩個可變電容元件CMEMS1
及CMEMS2
和兩個固定電容元件CMIM1
及CMIM2
。
可變電容元件CMEMS1
及CMEMS2
的上電極透過低通濾波器17而被連接到切換電路12。另外，連接到可變電容元件CMEMS1
及CMEMS2
的上電極之CPARA
表示寄生電容器，諸如互連電容器或接面電容器等。可變電容元件CMEMS1
與可變電容元件CMEMS2
串聯連接。CMIM1
的下電極係連接到埠P1。可變電容元件CMEMS2
與固定電容元件CMIM2
串聯連接。CMIM2
的下電極係連接到埠P2。可變電容元件CMEMS1
的下電極透過電阻器R1和低通濾波器18而被連接到切換電路13。可變電容元件CMEMS2
的下電極透過電阻器R2和低通濾波器18而被連接到切換電路13。
MEMS可變電容器11係藉由串聯連接固定電容元件CMIM1
、可變電容元件CMEMS1
、可變電容元件CMEMS2
、固定電容元件CMIM2
在埠P1與埠P2之間來予以組構。MEMS可變電容器11的電容變成等於四個電容元件的總電容。
固定電容元件CMIM1
及CMIM2
被設置以增強可變電容元件CMEMS1
及CMEMS2
的耐壓。電阻器R1及R2扮演防止可變電容元件CMEMS1
及CMEMS2
的下電極短路之角色。
具有上述組態之MEMS可變電容器11可增強熱切換特性。熱切換係要將狀態從增強狀態切換到減弱狀態或從減弱狀態切換到增強狀態，且同時將訊號功率供應到MEMS可變電容器。通常，在熱切換時，MEMS可變電容器11的可靠性退化。然而，具有複數個電容元件連接在埠P1及P2之間的此實施例之MEMS可變電容器11可減少施加到可變電容元件CMEMS1
及CMEMS2
的電壓。
接著，說明MEMS可變電容器11的組態之一例。圖3為MEMS可變電容器11的平面視圖。圖4為沿著圖3之線A-A’所取出之MEMS可變電容器11的剖面視圖。
在諸如矽基板41等基板41上，例如，形成由氧化矽所形成之絕緣層42，及MEMS可變電容器11係形成在絕緣層42上。在絕緣層42上，形成分別配置之兩個下電極43及44。上電極45係配置在下電極43及44的上方。絕緣膜46係形成在下電極43及44上，以防止下電極43及44被製造成電接觸上電極45。絕緣膜46可被配置在下電極43及44與上電極45之間，及例如可配置在上電極45的下方。
四個彈簧47被連接到上電極45。各個彈簧的端部係由錨部48所支撐。因此，配置在下電極43及44上方之上電極45可藉由靜電引力而向下移動。下電極43和上電極45組構可變電容元件CMEMS1
。下電極44和上電極45組構可變電容元件CMEMS2
。與彈簧結構的互連49係電連接到上電極45。互連49的端部係由導電錨部50所支撐。
在絕緣層42上，下電極51及52被形成以便夾置下電極43及44。下電極51用作為埠P1，而下電極52用作為埠P2。絕緣膜53係形成在下電極51上。上電極54係形成在絕緣膜53上。下電極51、絕緣膜53、及上電極54組構固定電容元件CMIM1
。上電極54被形成以便和下電極43重疊且電連接到下電極43。在圖3中，上電極54與下電極43之間的連接部57係藉由虛線來予以指示。下電極51及43係藉由絕緣膜53而彼此隔離。
絕緣膜55係形成在下電極52上。上電極56係形成在絕緣膜55上。下電極52、絕緣膜55、及上電極56組構固定電容元件CMIM2
。上電極56被形成以便和下電極44重疊且電連接到下電極44。在圖3中，上電極56與下電極44之間的連接部58係藉由虛線來予以指示。下電極52及44係藉由絕緣膜53而彼此隔離。
MEMS可變電容器11之電容由於從增強狀態到減弱狀態或者從減弱狀態到增強狀態的變化而改變。增強狀態(導通狀態)為上電極45未被驅動且上電極45和下電極43(或44)被分開之狀態。減弱狀態(關閉狀態)為上電極45被驅動到下部位且上電極45和下電極43(或44)與配置在其間之絕緣膜46彼此接觸的狀態。
接著，說明切換電路12及13的組態。切換電路12及13為用以驅動MEMS可變電容器11的驅動電路。切換電路12及13的組態相同，而且在下面說明切換電路12作為例子。在圖2中，只圖示切換電路12的電路組態。
如圖2所示，切換電路12包括四個切換元件21至24、兩個局部升壓器25及26、和升壓電容器CBT
。作為切換元件21及22，使用高耐壓之金屬半導體場效電晶體(MOSFET)，及例如使用N通道MOSFET(NMOSFET)。作為切換元件23及24，例如，使用NMOSFET。
透過節點N1，NMOSFET 21的汲極係連接到充電泵14的輸出且NMOSFET 21的源極係連接到升壓電容器CBT
的第一電極。NMOSFET 21的閘極係受局部升壓器(LB)25所控制。
透過節點N2，NMOSFET 22的汲極係連接到充電泵14的輸出且NMOSFET 22的源極係連接到升壓電容器CBT
的第二電極。NMOSFET 22的閘極係受局部升壓器(LB)26所控制。
節點N1係連接到第一放電電路23。放電電路23依據來自控制電路19的控制訊號而將節點N1放電至接地電壓Vss。節點N2係連接到第二放電電路24。放電電路24依據來自控制電路19的控制訊號而將節點N2放電至接地電壓Vss。放電電路23及24的每一個係由例如NMOSFET所組構成。
接著，說明電荷偵測電路15的組態。當MEMS可變電容器11重複被設定在增強狀態和減弱狀態時，發生所謂的充電，在此充電中電荷儲存在上電極45與下電極43及44之間的絕緣膜46中。當所儲存的電荷量超過某一臨界值時，發生有所謂的吸附(stiction)缺陷，在此吸附缺陷中上電極45未與絕緣膜46分離。電荷偵測電路15依據MEMS可變電容器11的電容來決定儲存在絕緣膜46中之電荷量。
作為電荷偵測方法，提供在將MEMS可變電容器11設定於減弱狀態之後將上電極45與下電極43(或44)之間的施加電壓設定成恆定監視器電壓Vmon之方法。此時，可根據上電極45是否與絕緣膜46分離來估計儲存在絕緣膜46中之電荷量。
如圖2所示，電荷偵測電路15包括參考電壓產生電路31、比較器(COMP)32、及兩個切換元件33及34。作為切換元件33及34，例如，使用NMOSFET。
參考電壓產生電路31產生參考電壓Vref。參考電壓產生電路31的輸出透過節點N3和NMOSFET 33而被連接到比較器32的第一輸入端子。切換電路12的節點N1透過NMOSFET 34而被連接到比較器32的第二輸入端子。
電荷偵測電路15係連接到組構具有較小寄生電容的靜電致動器之上電極和下電極的其中之一。在此實施例中，固定電容元件CMIM1
及CMIM2
分別被連接到下電極43及44，及固定電容元件CMIM1
及CMIM2
的電容比寄生電容器CPARA
的電容大，因為固定電容元件為金屬絕緣體金屬(MIM)結構的電容器。因此，電荷偵測電路15係連接到其寄生電容小於下電極之電容的上電極45。
圖5為參考電壓產生電路31的組態之電路圖。參考電壓產生電路31包括充電泵14、切換電路12及13、低通濾波器(LPF)17及18、電阻器R1及R2、寄生電容器CPARA
、和兩個固定電容元件CREF1
及CREF2
。組構參考電壓產生電路31之充電泵14、切換電路12及13、低通濾波器(LPF)17及18、電阻器R1及R2、和寄生電容器CPARA
具有與由圖2的相同符號所指示之部位的組態相同之組態，及其連接關係與圖2的連接關係相同。圖5所示之充電泵14可與圖2所示之充電泵14共同使用。圖5之切換電路12及13係受控制電路19所控制，以執行與由圖2之切換電路12及13所執行的操作相同之操作。
固定電容器CREF1
可以下列等式來表示。
CREF1
=(CMEMS1_
up+CMEMS1_
dn)/2
CMEMS1_
up指示當MEMS可變電容器11被設定在增強狀態時之可變電容元件CMEMS1
的電容。CMEMS1_
dn指示當MEMS可變電容器11被設定在減弱狀態時之可變電容元件CMEMS1
的電容。
固定電容器CREF2
可以下列等式來表示。
CREF2
=(CMEMS2
_up+CMEMS2
_dn)/2
CMEMS2
_up指示當MEMS可變電容器11被設定在增強狀態時之可變電容元件CMEMS2
的電容。CMEMS2
_dn指示當MEMS可變電容器11被設定在減弱狀態時之可變電容元件CMEMS2
的電容。
具有上述組態之參考電壓產生電路31可產生參考電壓Vref，其為當MEMS可變電容器11被設定在增強狀態時之節點N1的電壓與當MEMS可變電容器11被設定在減弱狀態時之節點N1的電壓之間的中間電壓。
首先，說明MEMS可變電容器11的操作。在增強狀態中，上電極45與下電極43(或44)之間的電位差低於拉入(pull-in)電壓。拉入電壓為即將使上電極45向下移動所需之電壓，及為使用以吸引上電極45朝向下電極43的靜電引力變成大於彈簧47的恢復力之電壓。減弱狀態係可藉由例如使切換電路12施加接地電壓Vss到上電極45與使切換電路13施加接地電壓Vss到下電極43及44來予以實現。作為具體操作，在切換電路12及13的每一個中，NMOSFET 23被導通以將節點N1放電至接地電壓Vss。
作為用以實現減弱狀態之方法，提供用以將從上電極45作用到下電極43之電場(向下電場)施加在上電極45與下電極43之間的方法，以及用以執行逆向操作之方法。首先，說明施加向下電場之方法。
為了驅動MEMS可變電容器11(將其設定至減弱狀態)，以下列順序操作切換電路12的NMOSFET 21及22。
(1)NMOSFET 21：導通
(2)NMOSFET 21：關閉
(3)NMOSFET 22：導通
在步驟(1)中，藉由充電泵14來充電升壓電容器CBT
，以將節點N1的電壓設定成接近電壓Vhold。電壓Vhold為MEMS可變電容器11的保持電壓，及被設定低於拉入電壓。因此，在此時，MEMS可變電容器11係保持在增強狀態中。拉入電壓為上電極45欲向下移動所需之電壓。保持電壓為保持在上電極45向下移動及接觸絕緣膜46之後所獲得的狀態所需之電壓。
隨後，在步驟(2)關閉NMOSFET 21。然後，在步驟(3)將節點N2的電位設定為接近電壓Vhold。此時，藉由升壓電容器CBT
的電容性耦合，使節點N1的電位被升壓，以驅動高於拉入電壓的電壓Vact。結果，實現MEMS可變電容器11的減弱狀態。藉由切換電路13的NMOSFET 23，將下電極43及44保持在0 V。
之後，導通NMOSFET 21，關閉NMOSFET 22，及導通NMOSFET 24。結果，節點N1的電位被設定接近電壓Vhold，及保持MEMS可變電容器11的減弱狀態。
接著，說明偵測儲存在MEMS可變電容器11中之電荷量的操作。如上所述，當MEMS可變電容器11重複被設定在增強狀態和減弱狀態時，電荷被儲存在上電極45與下電極43及44之間的絕緣膜46中。圖6為MEMS可變電容器11的電容與所施加電壓之間的關係圖。在圖6中，圖示幾乎沒有電荷被儲存在上電極45與下電極43及44之間的絕緣膜46中之情況(虛線)與電荷被儲存在絕緣膜46中之情況(實線)。圖6之橫座標表示上電極45與下電極43及44之間的電位差ΔV，而縱座標表示MEMS可變電容器11的電容。
如圖6所示，當幾乎沒有電荷被儲存在絕緣膜46中時，用以將上電極45與絕緣膜46分離之電壓(拉出(pull-out)電壓)變得較大。隨著更多電荷被儲存在絕緣膜46中，拉出電壓變得較低。在此實施例中，當電位差ΔV被設定在監視器電壓Vmon時，根據上電極45是否與絕緣膜46分離來偵測儲存在絕緣膜46中之電荷量。監視器電壓Vmon的上限被設定成低於當幾乎沒有電荷被儲存在絕緣膜46中時所設定之拉出電壓的電壓。另外，監視器電壓Vmon的下限可被設定在高於0 V的想要電壓，及設定成偵測較多電荷被儲存在絕緣膜46中之狀態的較低電壓。另一方面，若偵測到較少電荷被儲存在絕緣膜46中之狀態，則設定成較高電壓。監視器電壓Vmon係由圖1之電壓產生電路16所產生。
圖7為在電荷偵測操作時間中之電壓關係的時序圖。圖7圖示當施加向下電場時之電荷偵測操作的例子。
首先，將MEMS可變電容器11設定在減弱狀態中。此時，切換電路13將下電極43及44的電位設定成接地電壓Vss(=0 V)。此係藉由導通切換電路13的NMOSFET 23來予以實現。另外，在施加電壓Vact到上電極45之後，切換電路12將上電極45的電位設定成電壓Vhold。結果，MEMS可變電容器11被設定成減弱狀能。
接著，控制電路19導通NMOSFET 35，以施加監視器電壓Vmon到上電極45。此時，切換電路12的NMOSFET 21保持關閉。同樣地，控制電路19亦施加監視器電壓Vmon到參考電壓產生電路31。
然後，導通切換電路12的NMOSFET 22，及關閉NMOSFET 24。結果，切換電路12的節點N2被設定成電壓Vhold。在此例中，設定CMEMS1
_up<CMEMS1
_dn及CMEMS2
_up<CMEMS2
_dn的關係。因此，若將MEMS可變電容器11設定在增強狀態(up)，則上電極45的電壓大幅上升，及若將MEMS可變電容器11設定在減弱狀態(dn)，則上電極45的電壓稍微上升。也就是說，若增強狀態中的電壓變化為ΔV_up及減弱狀態中的電壓變化為ΔV_dn，則設定ΔV_up>ΔV_dn的關係。
ΔV_up係由下面等式(1)來表示。
ΔV_dn係由下面等式(2)來表示。
藉由導通NMOSFET 33，參考電壓Vref從參考電壓產生電路31施加到比較器32的第一輸入端子。因為參考電壓產生電路31執行與切換電路12及13的操作相同之操作，所以參考電壓Vref被設定在”Vmon+ΔV_up”與”Vmon+ΔV_dn”之間的中間電壓。比較器32比較上電極45的電壓(節點N1的電壓)與參考電壓Vref。依據比較結果，在施加監視器電壓Vmon到上電極45的同時，可決定MEMS可變電容器11被設定在增強狀態或減弱狀態。決定結果被傳送到控制電路19。
當驅動MEMS可變電容器11時，控制電路19依據上述決定結果來決定上電極與下電極之間的電場之方向。也就是說，若由於偵測操作而決定MEMS可變電容器11被設定在增強狀態，則控制電路19驅動MEMS可變電容器11，而不改變MEMS可變電容器11的上電極與下電極之間的電場之方向，因為大於或等於臨界值之電荷未被儲存在絕緣膜46中。另一方面，若由於偵測操作而決定MEMS可變電容器11被設定在減弱狀態，則控制電路19改變MEMS可變電容器11的上電極與下電極之間的電場之方向及驅動MEMS可變電容器11，因為大於或等於臨界值之電荷被儲存在絕緣膜46中。
下面說明根據此實施例的操作1之半導體裝置10的實驗結果。在測量半導體裝置10的實驗結果時，使用下面表格所指示的數值。另外，在如(1)至(3)所示一般改變條件的同時，進行三個圖案的測量。
CMEMS
_up指示在MEMS可變電容器11被設定在增強狀態的同時之可變電容元件CMEMS1
或CMEMS2
的電容。CMEMS
_dn指示在MEMS可變電容器11被設定在減弱狀態的同時之可變電容元件CMEMS1
或CMEMS2
的電容。CBT
指示切換電路12的升壓電容器之電容。CPARA
指示寄生電容。
圖8為增強狀態中之電壓變化ΔV_up和減弱狀態中之電壓變化ΔV_dn圖。圖8之橫座標指示電壓Vhold(V)，而縱座標指示電壓變化ΔV。圖8之號碼(1)至(3)對應於上述表格的號碼。
從圖8可明白，在三個條件(1)至(3)的任一個中，ΔV_up與ΔV_dn之間的差變得較大。因此，在電荷偵測操作中可決定MEMS可變電容器11的增強狀態和減弱狀態。
圖9為增強狀態中的電壓變化ΔV_up和減弱狀態中的電壓變化ΔV_dn之間的電位差δV圖。圖9的橫座標表示電壓Vhold(V)，而縱座標表示電位差δV(V)。電位差δV係由下面等式來表示。
δV=ΔV_up-ΔV_dn
從圖9可明白，在三個條件(1)至(3)的任一個中，電位差δV變得較大。
接著，說明當驅動MEMS可變電容器11時從下電極43作用到上電極45之電場(向下電場)被施加在下電極43與上電極45之間的例子。
施加向上電場以將MEMS可變電容器11設定成減弱狀態之操作係可藉由顛倒先前所說明的操作1中之切換電路12及13的操作來予以實現。
下面說明當向上施加電場時之電荷偵測操作的例子。圖10為在電荷偵測操作時間中之電壓關係的時序圖。
首先，將MEMS可變電容器11設定成減弱狀態。此時，切換電路12將上電極45的電位設定成0 V。此係藉由導通切換電路12的NMOSFET 23來予以實現。另外，在施加電壓Vact到下電極43及44之後，切換電路13將下電極43及44的電位設定成電壓Vhold。結果，將MEMS可變電容器11設定成減弱狀態。
隨後，控制電路導通NMOSFET 36與施加固定電壓VA到上電極45。同樣地，控制電路19亦施加固定電壓VA到參考電壓產生電路31。另外，控制電路19導通NMOSFET 37及38與施加電壓”VA+Vcom”到下電極43及44。固定電壓VA係由電壓產生電路16所產生。固定電壓VA被設定在與監視電壓Vcom實質上相同的電壓。結果，電荷偵測之操作點可設定成與施加向上電場時相同的點。若操作點不需要被設定成同一點，則可將VA設定成0 V。
接著，控制電路19導通切換電路13的NMOSFET 21與施加電壓Vhold到下電極43及44。另外，控制電路19關閉切換電路12的NMOSFET 22及24，以使切換電路12的節點N2浮動。使切換電路12的節點N2浮動之原因在於抑制由於切換電路12的升壓電容器CBT
之影響。
此時，若將MEMS可變電容器11設定在減弱狀態(dn)，則上電極45的電壓大幅上升，及若將MEMS可變電容器11設定在增強狀態(up)，則上電極45的電壓稍微上升。也就是說，若增強狀態中的電壓變化為ΔV_up及減弱狀態中的電壓變化為ΔV_dn，則設定ΔV_up<ΔV_dn的關係。
ΔV_up係由下面等式(3)來表示。
ΔV_dn係由下面等式(4)來表示。
符號”≡”意指定界。符號”<<”意指一側非常大於另一側。Cjunc
指示MOSFET的接面電容。
藉由導通NMOSFET 33，參考電壓Vref係從考電壓產生電路31而被施加到比較器32的第一輸入端子。因為參考電壓產生電路31執行與切換電路12及13的操作相同之操作，所以參考電壓Vref被設定在”VA+ΔV_up”與”VA+ΔV_dn”之間的中間電壓。比較器32比較上電極45的電壓(節點N1的電壓)與參考電壓Vref。依據比較結果，在施加監視器電壓Vmon在上電極45與下電極43及44之間的同時，可決定MEMS可變電容器11被設定在增強狀態或減弱狀態。決定結果被傳送到控制電路19。當驅動MEMS可變電容器11時，控制電路19依據上述決定結果來決定上電極與下電極之間的電場之方向。
下面說明根據此實施例的操作2之半導體裝置10的實驗結果。測量半導體裝置10的實驗結果時所使用之參數的數值與上述表格的數值相同。
圖11為增強狀態中之電壓變化ΔV_up和減弱狀態中之電壓變化ΔV_dn圖。圖11之橫座標表示電壓Vhold(V)，而縱座標表示電壓變化ΔV。圖11之號碼(1)至(3)對應於上述表格的號碼。
從圖11可明白，在三個條件(1)至(3)的任一個中，ΔV_up與ΔV_dn之間的差變得較大。因此，在電荷偵測操作中可決定MEMS可變電容器11的增強狀態和減弱狀態。
圖12為增強狀態中的電壓變化ΔV_up和減弱狀態中的電壓變化ΔV_dn之間的電位差δV圖。圖12的橫座標表示電壓Vhold(V)，而縱座標表示電位差δV(V)。電位差δV係由下面等式來表示。
δV=ΔV_up-ΔV_dn
從圖12可明白，在三個條件(1)至(3)的任一個中，電位差δV變得較大。
圖13為半導體裝置10的組態之另一例子的方塊圖。半導體裝置10包括n(n為大於一的整數)庫部(bank)BK1至Bkn。各個庫部BK與圖1的電路相同。由複數個庫部BK共同使用充電泵14、電壓產生電路16、及控制電路19。再者，在具有上述庫部結構之半導體裝置10中，各個庫部可執行如上述之操作。
另外，如圖14所示，可由複數個庫部共同使用包含在電荷偵測電路15中之參考電壓產生電路31。在具有上述庫部結構之半導體裝置10中，各個庫部可執行如上述之操作。
如同上面詳細說明一般，在本實施例中，半導體裝置10包括靜電致動器11，其包括上電極45、下電極43(或44)、與配置在上述電極之間的絕緣膜46；以及電荷偵測電路15，其偵測儲存在絕緣膜46中之電荷量。電荷偵測電路15係連接到具有較小寄生電容之上電極45和下電極43的其中之一(此實施例為上電極45)。在用以向下施加電場之第一電荷偵測操作中，在將監視器電壓Vmon施加到上電極45的同時，電壓Vhold被施加到升壓電容器CBT
的一端以便升壓上電極45的電壓。此時藉由以電荷偵測電路15偵測上電極45的電壓變化，在監視器電壓Vmon正被施加的同時，決定靜電致動器11設定在增強狀態或減弱狀態。
然後，在用以向上施加電場之第二電荷偵測操作中，電壓Vhold被施加到下電極43，且在監視器電壓Vmon被施加到下電極43之後使切換電路12的節點浮動。此時藉由以電荷偵測電路15偵測上電極45的電壓變化，在監視器電壓Vmon正被施加的同時，決定靜電致動器11係設定在增強狀態或減弱狀態。
因此，根據此實施例，可決定儲存在絕緣膜46中之電荷量是否未低於臨界值。當電荷量大於或等於臨界值時，可藉由改變上電極45與下電極43之間的電場之方向來防止由於充電所導致的吸附缺陷。結果，可增強靜電致動器11的可靠性。
尤其是，根據此實施例的電荷偵測方法，即使當大的寄生電容器被添加到靜電致動器11之下電極43及44時，仍可增加上電極45的電壓變化。因此，可正確決定儲存在絕緣膜46中之電荷量是否未低於臨界值。結果，可增強靜電致動器11的可靠性。
儘管已說明某些實施例，但是僅藉由例子描述這些實施例，並不打算限制本發明的範疇。事實上，可以各種其他形式體現此處所說明之新的實施例；而且，在不違背本發明的精神之下，可進行此處所說明之實施例的形式之各種省略、取代、及變化。附加的申請專利範圍及其同等物欲涵蓋應落在本發明的範疇和精神內之此種形式或修改。
P1．．．埠
P2．．．埠
R1．．．電阻器
R2．．．電阻器
CMEMS1
．．．可變電容元件
CMEMS2
．．．可變電容元件
CMIM1
．．．固定電容元件
CMIM2
．．．固定電容元件
CREF1
．．．固定電容元件
CREF2
．．．固定電容元件
CPARA
．．．寄生電容器
CBT
．．．升壓電容器
N1．．．節點
N2．．．節點
BK．．．庫部
10．．．半導體裝置
11．．．微電子機械系統可變電容器
11．．．靜電致動器
12．．．切換電路
13．．．切換電路
14．．．充電泵
15．．．電荷偵測電路
16．．．電壓產生電路
17．．．低通濾波器
18．．．低通濾波器
19．．．控制電路
21．．．N通道金屬半導體場效電晶體
22．．．N通道金屬半導體場效電晶體
23．．．第一放電電路
24．．．第二放電電路
25．．．局部升壓器
26．．．局部升壓器
31．．．參考電壓產生電路
32．．．比較器
33．．．N通道金屬半導體場效電晶體
34．．．N通道金屬半導體場效電晶體
35．．．N通道金屬半導體場效電晶體
36．．．N通道金屬半導體場效電晶體
37．．．N通道金屬半導體場效電晶體
38．．．N通道金屬半導體場效電晶體
41．．．基板
42．．．絕緣層
43．．．下電極
44．．．下電極
45．．．上電極
46．．．絕緣膜
47．．．彈簧
48．．．錨部
49．．．互連
50．．．導電錨部
51．．．下電極
52．．．下電極
53．．．絕緣膜
54．．．上電極
55．．．絕緣膜
56．．．上電極
57．．．連接部
58．．．連接部
N3．．．節點
圖1為根據一個實施例之半導體裝置10的方塊圖。
圖2為圖1所示之半導體裝置10的電路圖。
圖3為MEMS可變電容器11的平面視圖。
圖4為沿著圖3之線A-A’所取之MEMS可變電容器11的剖面視圖。
圖5為參考電壓產生電路31之電路圖。
圖6為MEMS可變電容器11的電容與所施加電壓之間的關係圖。
圖7為在電荷偵測操作時間中之電壓關係的時序圖。
圖8為增強狀態和減弱狀態中之電壓變化ΔV圖。
圖9為增強狀態與減弱狀態中的電壓變化ΔV之間的差δV圖。
圖10為在電荷偵測操作時間中之電壓關係的時序圖。
圖11為增強狀態和減弱狀態中之電壓變化ΔV圖。
圖12為增強狀態和減弱狀態中之電壓變化ΔV圖。
圖13為半導體裝置10的另一例子之方塊圖。
圖14為半導體裝置10的另一例子之方塊圖。
P1．．．埠
P2．．．埠
10．．．半導體裝置
11．．．微電子機械系統可變電容器
11．．．靜電致動器
12．．．切換電路
13．．．切換電路
14．．．充電泵
15．．．電荷偵測電路
16．．．電壓產生電路
17．．．低通濾波器
18．．．低通濾波器
19．．．控制電路
Claims (23)
- 一種半導體裝置，包含：靜電致動器，包括第一和第二下電極、藉由錨部而被支撐在該第一和第二下電極上方且被組構成向下移動之上電極、及設置在該上電極與該第一和第二下電極之間的絕緣膜，該第一下電極和上電極組構第一可變電容元件，該第二下電極和上電極組構第二可變電容元件；第一固定電容元件，係連接到該第一下電極；第二固定電容元件，係連接到該第二下電極；以及偵測電路，係連接到該上電極且被組構成偵測儲存在絕緣膜中之電荷量。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，另包含：驅動電路，包括其第一電極係連接到該上電極之升壓電容器，該驅動電路被組構成施加向下電場於該等下電極與該上電極之間，以便向下驅動該上電極並將該靜電致動器設定在減弱狀態中；電壓產生電路，被組構成產生監視器電壓，該監視器電壓係用來決定儲存在該絕緣膜中之該電荷量是否低於臨界值；以及控制電路，被組構成在施加該監視器電壓於該上電極之後，施加第一電壓於該升壓電容器的第二電極，且同時使該靜電致動器保持在該減弱狀態中，其中，當施加該第一電壓於該升壓電容器的該第二電極時，該偵測電路偵測該上電極之電壓變化的程度。
- 根據申請專利範圍第2項之裝置，其中，當該電荷量未低於該臨界值時，將該靜電致動器設定在該減弱狀態中，且當該電荷量低於該臨界值時，將該靜電致動器設定在增強狀態中。
- 根據申請專利範圍第3項之裝置，其中，在該增強狀態中之電壓變化係大於在該減弱狀態中的電壓變化。
- 根據申請專利範圍第2項之裝置，其中，當該電荷量未低於該臨界值時，該控制電路改變該等下電極與該上電極之間的電場方向。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，另包含：驅動電路，被組構成施加向上電場於該等下電極與該上電極之間，以便向下驅動該上電極且將該靜電致動器設定在減弱狀態中；電壓產生電路，被組構成產生監視器電壓，該監視器電壓係用來決定儲存在該絕緣膜中之該電荷量是否低於臨界值；以及控制電路，被組構成在施加該監視器電壓於該等下電極之後，施加第一電壓於該等下電極，且同時使該靜電致動器保持在該減弱狀態中，其中，當施加該第一電壓到該等下電極時，該偵測電路偵測該上電極之電壓變化的程度。
- 根據申請專利範圍第6項之裝置，其中，當該電荷量未低於該臨界值時，將該靜電致動器設定在該減弱狀態中，且當該電荷量低於該臨界值時，將該靜電致動器設定 在該增強狀態中。
- 根據申請專利範圍第7項之裝置，其中，在該增強狀態中之電壓變化係小於在該減弱狀態中的電壓變化。
- 根據申請專利範圍第6項之裝置，其中，當該電荷量未低於該臨界值時，該控制電路改變該等下電極與該上電極之間的電場方向。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，另包含低通濾波器，連接於該上電極與該偵測電路之間。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，其中，每個該第一和第二下電極不連接該偵測電路。
- 一種半導體裝置，包含：靜電致動器，包括下電極、藉由錨部而被支撐在該下電極上方且被組構成向下移動之上電極、及設置在該上電極與該下電極之間的絕緣膜；偵測電路，連接到具有較小的寄生電容之該下電極和上電極的其中之一，並偵測儲存在該絕緣膜中之電荷量；以及低通濾波器，連接於該偵測電路與該下電極和該上電極的其中之一之間。
- 根據申請專利範圍第12項之裝置，另包含：驅動電路，包括其第一電極係連接到該上電極之升壓電容器，該驅動電路被組構成施加向下電場於該下電極與該上電極之間，以便向下驅動該上電極並將該靜電致動器設定在減弱狀態中； 電壓產生電路，被組構成產生監視器電壓，該監視器電壓係用來決定儲存在該絕緣膜中之該電荷量是否低於臨界值；以及控制電路，被組構成在施加該監視器電壓於該上電極之後，施加第一電壓於該升壓電容器的第二電極，且同時使該靜電致動器保持在該減弱狀態中，其中，當施加該第一電壓於該升壓電容器的該第二電極時，該偵測電路偵測該上電極之電壓變化的程度。
- 根據申請專利範圍第13項之裝置，其中，當該電荷量未低於該臨界值時，將該靜電致動器設定在該減弱狀態中，且當該電荷量低於該臨界值時，將該靜電致動器設定在增強狀態中。
- 根據申請專利範圍第13項之裝置，其中，當該電荷量未低於該臨界值時，該控制電路改變該下電極與該上電極之間的電場方向。
- 根據申請專利範圍第12項之裝置，另包含：驅動電路，被組構成施加向上電場在該下電極與該上電極之間，以便向下驅動該上電極並將該靜電致動器設定在減弱狀態中；電壓產生電路，被組構成產生監視器電壓，該監視器電壓係用來決定儲存在該絕緣膜中之該電荷量是否低於臨界值；以及控制電路，被組構成在施加該監視器電壓於該下電極之後，施加第一電壓於該下電極，且同時使該靜電致動器 保持在該減弱狀態中，其中，該偵測電路偵測在該第一電壓施加時間時之該上電極之電壓變化的程度。
- 根據申請專利範圍第16項之裝置，其中，當該電荷量未低於該臨界值時，將該靜電致動器設定在該減弱狀態中，且當該電荷量低於該臨界值時，將該靜電致動器設定在該增強狀態中。
- 根據申請專利範圍第16項之裝置，其中，當該電荷量未低於該臨界值時，該控制電路改變該下電極與該上電極之間的電場方向。
- 根據申請專利範圍第12項之裝置，其中，該下電極和該上電極的其中之另一不連接該偵測電路。
- 一種靜電致動器之驅動方法，該靜電致動器包括下電極、藉由錨部而被支撐在該下電極上方且被組構成向下移動之上電極、及設置在該下電極與該上電極之間的絕緣膜，該方法包含：施加向下電場於該下電極與該上電極之間，向下驅動該上電極，以便將該靜電致動器設定在減弱狀態中，施加監視器電壓到該上電極，以決定儲存在該絕緣膜中之電荷量是否低於臨界值；施加第一電壓於其第一電極係連接到該上電極之升壓電容器的第二電極，以及偵測該上電極的電壓變化之程度。
- 根據申請專利範圍第20項之方法，另包含：比較該電壓變化與參考值；以及當該電壓變化大於該參考值時，決定該電荷量未低於該臨界值。
- 根據申請專利範圍第21項之方法，另包含當該電荷未低於該臨界值時，改變該下電極與該上電極之間的電場方向。
- 根據申請專利範圍第21項之方法，其中，當該電荷未低於該臨界值時，將該靜電致動器設定在該減弱狀態中，且當該電荷低於該臨界值時，將該靜電致動器設定在該增強狀態中。
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| HIROAKI YAMAZAKI ET AL "A HIGH POWER-HANDLING RF MEMS TUNABLE CAPACITOR USING QUADRUPLE SERIES CAPACITOR STRUCTURE", 2010 IEEE MTT-S INTERNATIONAL, pages 1138-1141.^&rn^ * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2012050301A (ja) | 2012-03-08 |
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| CN102959850A (zh) | 2013-03-06 |
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