控制mems dvc 控制波形以增加壽命的方法和技術(shù)的制作方法
【專利說(shuō)明】控制MEMS DVC控制波形以増加壽命的方法和技術(shù) 【背景技術(shù)】 技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明的實(shí)施例總體上涉及減少微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)器件中的開(kāi)關(guān)的沖擊的方 法。
[0002] 相關(guān)技術(shù)的描述
[0003] 數(shù)字式可變電容器（DVC)以靜電力操作。在該機(jī)制下，當(dāng)電壓V被施加在MEMS器 件和控制電極之間時(shí)，力作用于可移動(dòng)MEMS器件。該靜電力與（V/gap)2成比例。機(jī)械反平 衡力來(lái)自于彈性懸掛系統(tǒng)并且通常與位移線性成比例。結(jié)果是利用增大的電壓V，MEMS器 件朝著控制電極移動(dòng)一定的距離δ。該移動(dòng)使間隙減小，繼而使靜電力進(jìn)一步增大。對(duì)于 小電壓來(lái)說(shuō)，找到初始位置和電極之間的平衡位置。然而，當(dāng)電壓超過(guò)一定的閾值水平（即 拉近電壓），器件的位移為使得靜電力比機(jī)械反平衡力增大得更快的那些，并且器件朝著控 制電極快速嵌入（snap-in)(即移動(dòng)）直到其與接觸表面接觸。
[0004] 如在圖1中示意性示出的，一些DVC器件具有在可移動(dòng)MEMS器件（即圖1中的 板）上的控制電極（即上拉電極或拉離電極或HJ電極）和在可移動(dòng)MEMS器件下的控制電 極（下拉電極或拉近電極或電極）。此外，在可移動(dòng)MEMS器件之下存在RF電極。在工 作期間，MEMS器件被上拉或下拉至接觸以向RF電極提供穩(wěn)定的最小或最大電容。如此，從 可移動(dòng)器件到RF電極（其位于可移動(dòng)器件之下）的電容能夠從當(dāng)被拉到底部（如圖2所 示）時(shí)的高電容Cniax變化到當(dāng)被拉到頂部（如圖3所示）時(shí)的低電容C_。
[0005] 在生產(chǎn)中，由于制造容差（例如層厚度和應(yīng)力水平），MEMS器件會(huì)呈現(xiàn)拉近電壓 的變化。此外，一些MEMS器件要求向拉近電極施加超過(guò)拉近電壓的一定的過(guò)電壓，以提供 穩(wěn)定的電容。此外，CMOS控制器也會(huì)由于制造容差而呈現(xiàn)可用電壓水平的一定變化。因此， 施加到拉動(dòng)電極的電壓水平通常被如此設(shè)計(jì)以提供足夠的裕度以應(yīng)對(duì)制造容差。
[0006] 如果非常快速地向拉近電極施加該高電壓水平，則由于MEMS器件立即受到比拉 近所需的靜電力大得多的靜電力，所以MEMS器件會(huì)非?？焖俚貨_向拉近電極。這會(huì)導(dǎo)致從 一開(kāi)始MEMS器件向拉動(dòng)電極的加速，并且產(chǎn)生導(dǎo)致?lián)p壞接觸表面的高沖擊速度。
[0007] 因此，本領(lǐng)域中需要減少M(fèi)EMS器件在接觸表面上的沖擊。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明總體上涉及在使MEMES器件在接觸表面上的沖擊最小化的同時(shí)操作MEMS DVC的方法。通過(guò)在MEMS器件的拉近移動(dòng)時(shí)減小驅(qū)動(dòng)電壓，減小MEMS器件朝接觸表面的加 速，并由此減小沖擊速度以及產(chǎn)生更少的MEMS DVC器件的損壞。
[0009] 在一個(gè)實(shí)施例中，操作MEMS DVC器件的方法包括：在第一時(shí)間段向電極施加第一 電壓；將第一電壓增大到第二電壓，其中，所述增大在第二時(shí)間段發(fā)生；將第二電壓減小到 第三電壓，其中，所述減小在第三時(shí)間段發(fā)生；將第三電壓增大到第四電壓，其中，所述增大 在第四時(shí)間段發(fā)生。
[0010] 在另一實(shí)施例中，MEMS DVC器件包括：第一電極，其具有被布置在其上的第一介電 層并且具有第一接觸表面；第二電極，其具有被布置在其上的第二介電層并且具有第二接 觸表面；能夠在第一接觸表面和第二接觸表面之間移動(dòng)的MEMS器件；和第一電極電壓驅(qū)動(dòng) 器，其耦合到第一電極或第二電極。第一電極電壓控制器被配置為：在第一時(shí)間段向第一電 極或第二電極施加第一電壓；將第一電壓增大到第二電壓，其中，所述增大在第二時(shí)間段發(fā) 生；將第二電壓減小到第三電壓，其中，所述減小在第三時(shí)間段發(fā)生；并且將第三電壓增大 到第四電壓，其中，所述增大在第四時(shí)間段發(fā)生。 【附圖說(shuō)明】
[0011] 因此以能夠詳細(xì)地理解本發(fā)明的上述特征的方式，可以參照實(shí)施例來(lái)獲得上面簡(jiǎn) 要總結(jié)的本發(fā)明的更具體的描述，所述實(shí)施例中的一些在附圖中被圖示。然而，應(yīng)指出的 是，附圖僅圖示了本發(fā)明的典型實(shí)施例，并且因此不應(yīng)被認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍，這是因?yàn)?本發(fā)明可以允許其他等同有效的實(shí)施例。
[0012] 圖1是在獨(dú)立狀態(tài)下DVC的MEMS器件的示意性橫截面圖示。
[0013] 圖2是在Cmax狀態(tài)下的、DVC的MEMS器件的示意性橫截面圖示。
[0014] 圖3是在Cmin狀態(tài)下的、DVC的MEMS器件的示意性橫截面圖示。
[0015] 圖4示出了說(shuō)明由快速電壓斜升驅(qū)動(dòng)的DVC器件的沖擊速度的圖表。
[0016] 圖5示出了說(shuō)明由慢速電壓斜升驅(qū)動(dòng)的DVC器件的沖擊速度的圖表。
[0017] 圖6圖示了使用擺率電阻器的電流饑餓型（current-starved)電壓驅(qū)動(dòng)器。
[0018] 圖7圖示了具有擺率電流的電流饑餓型電壓驅(qū)動(dòng)器。
[0019] 圖8示出了圖示由電流饑餓型電壓驅(qū)動(dòng)的DVC器件的沖擊速度的圖表。
[0020] 圖9是使用電流源的電路實(shí)現(xiàn)的示意圖。
[0021] 圖10圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的HVSW設(shè)計(jì)。
[0022] 圖11圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的HVm3發(fā)生器。
[0023] 為了便于理解，在可能的情況下使用相同的附圖標(biāo)記來(lái)指代為附圖所共有的相同 元素。應(yīng)預(yù)期的是，在一個(gè)實(shí)施例中公開(kāi)的元素在沒(méi)有特別說(shuō)明的情況下可以有益地用于 其他實(shí)施例中。 【具體實(shí)施方式】
[0024] 本發(fā)明總體上涉及在使MEMS器件在接觸表面上的沖擊最小化的同時(shí)操作MEMS DVC的方法。通過(guò)在MEMS器件的拉近移動(dòng)時(shí)減小驅(qū)動(dòng)電壓，減小MEMS器件朝接觸表面的 加速，并且由此減小沖擊速度以及發(fā)生更少的MEMS DVC器件的損壞。
[0025] 與諸如硅或GaAs技術(shù)之類的其他成熟技術(shù)相比，MEMS DVC展現(xiàn)了優(yōu)越的性能改 進(jìn)，但是由于各種問(wèn)題仍然還沒(méi)有廣泛地用于許多應(yīng)用中。一個(gè)問(wèn)題在于MEMS壽命能夠通 過(guò)MEMS自身結(jié)構(gòu)或者通過(guò)控制MEMS的波形來(lái)提高。通過(guò)向電極施加電壓來(lái)使MEMS器件 移動(dòng)。施加的電壓需要足夠高以使MEMS器件移動(dòng)。如果非?？焖俚叵蚶姌O施加高電 壓，那么由于MEMS器件立即受到比拉近所需的靜電力大得多的靜電力，因此MEMS器件會(huì)非 ?？焖俚貨_向拉近電極。這會(huì)導(dǎo)致從一開(kāi)始MEMS器件向拉電極的加速，并且產(chǎn)生導(dǎo)致?lián)p壞 接觸表面的高沖擊速度。
[0026] 這在圖4中被示出，其中，通過(guò)Vbottom = HV和Vtop = OV的控制電壓，MEMS DVC 器件首先落在底部上。在t = t〇處，底部電壓被釋放，并且頂部電壓Vtop (Vbottom = 0V，Vtop = HV)被施加。器件立即向頂部加速直到碰撞頂部電極，在該處，所述器件以大約2m/ s的初始沖擊速度在t = tl、t2、t3處跳動(dòng)幾次。對(duì)于MEMS器件來(lái)說(shuō)，該沖擊速度會(huì)導(dǎo)致 接觸表面的結(jié)構(gòu)性損壞，這極大地影響壽命。
[0027] 在圖5中示出了具有稍微改進(jìn)的一個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)解決方案，其中，通過(guò)Vbottom = HV 和Vtop = OV的控制電壓，MEMS DVC器件同樣首先落在底部上。在t = tO處，底部電壓被 釋放（Vbot = 0V)，并且頂部電壓Vtop從OV緩慢斜升到HV (該附圖的時(shí)間比例比圖4的 時(shí)間比例更大）。一旦器件從底部電極被釋放，在頂部控制電壓斜升的同時(shí)，所述器件自由 地鈴振（ring)。所述鈴振消逝的速率取決于MEMS器件的與空腔內(nèi)部壓力（壓膜阻尼）和 MEMS器件自身內(nèi)部的損耗相關(guān)的Q。當(dāng)電壓已經(jīng)達(dá)到所需的拉近電壓水平時(shí)，在t = tl處， 器件拉近到頂部電極。由于在該點(diǎn)處不存在很多的過(guò)驅(qū)動(dòng)，因此沖擊速度減小到大約0. 6m/ s。電壓繼續(xù)斜升并且在t = t2處已經(jīng)達(dá)到其最終值。雖然，控制方案在圖4的快速電壓 驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)上已經(jīng)得到了改進(jìn)，但是該沖擊速度仍是十分高的，并且能夠?qū)е陆佑|表面的結(jié) 構(gòu)性損壞，這導(dǎo)致過(guò)早的壽命失效。
[0028] 如本文中討論的，在MEMS器件的拉近移動(dòng)時(shí)減小驅(qū)動(dòng)電壓減小了 MEMS器件向接 觸表面的加速度，并且由此減小了沖擊速度。在MEMS器件的拉近移動(dòng)時(shí)減小驅(qū)動(dòng)電壓的 主要優(yōu)點(diǎn)在于極大地提高M(jìn)EMS的良品率和壽命。減小驅(qū)動(dòng)電壓使接觸表面上的沖擊損壞 減少。在沒(méi)有波形（即驅(qū)動(dòng)電壓的減?。┑那闆r下，MEMS器件僅能夠循環(huán)幾百萬(wàn)個(gè)循環(huán)。 在壽命增加波形的情況下，MEMS器件能夠在沒(méi)有器件性能損失的情況下循環(huán)幾十億個(gè)循 環(huán)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于在控制線上的峰值電流減小，這減小了系統(tǒng)中的噪聲并且對(duì)電路設(shè)計(jì) 的功率分配施加不那么嚴(yán)格的要求。
[0029] 如本文中討論的，利用上述由慢速電壓斜升驅(qū)動(dòng)的方案的變化。除了慢速電壓斜 升之外，驅(qū)動(dòng)電壓在MEMS器件嵌入時(shí)通過(guò)自控機(jī)制而急劇減小。電壓的減小使MEMS器件 向電極的加速度減小，并且導(dǎo)致急劇減小的沖擊速度。
[0030] 當(dāng)MEMS器件移動(dòng)時(shí)，MEMS器件和控制電極之間的電容被調(diào)制。因此，流經(jīng)需要由 控制器提供的控制電容器的電流也被調(diào)制：
[0032] 在標(biāo)準(zhǔn)電容器中，電流僅由C*dV/dt給出。然而，由于電容器隨著時(shí)間被調(diào)制，需 要額外的電流V*dC/dt。在MEMS器件嵌入（即移動(dòng)）時(shí)，電容快速增大，并且待由控制器供 應(yīng)的所需電流成指數(shù)增長(zhǎng)。通過(guò)限制控制器能夠傳輸?shù)碾娏鳎瑴p小了在嵌入時(shí)電極上的實(shí) 際電壓。
[0033] 圖6和圖7中示出了電極電壓驅(qū)動(dòng)器的兩種示意性實(shí)現(xiàn)?；A(chǔ)驅(qū)動(dòng)器包括兩個(gè)晶 體管：用于將Vcontrol拉到高電壓水平HV的Ml和用于將輸出電壓Vcontrol拉到接地的 M2。Vcontrol連接到MEMS器件的上拉或下拉電極（由電容Ccontrol表示）。每個(gè)MEMSDVC器件具有這些控制驅(qū)動(dòng)器中的兩個(gè)；一個(gè)連接到上拉電極，并且一個(gè)連接到下拉電極。 與Ml串聯(lián)是限流器，該限流器是電阻器Rsl (圖6)或擺率限制電流源Isl (圖7)。
[0034] 當(dāng)Ml啟動(dòng)時(shí)，輸出電壓Vcontrol緩慢斜升到由Rsl或Isl