控制mems dvc 控制波形以增加寿命的方法和技术的制作方法
【专利说明】控制MEMS DVC控制波形以増加寿命的方法和技术 【背景技术】 技术领域
[0001] 本发明的实施例总体上涉及减少微机电系统（MEMS)器件中的开关的冲击的方 法。
[0002] 相关技术的描述
[0003] 数字式可变电容器（DVC)以静电力操作。在该机制下，当电压V被施加在MEMS器 件和控制电极之间时，力作用于可移动MEMS器件。该静电力与（V/gap)2成比例。机械反平 衡力来自于弹性悬挂系统并且通常与位移线性成比例。结果是利用增大的电压V，MEMS器 件朝着控制电极移动一定的距离δ。该移动使间隙减小，继而使静电力进一步增大。对于 小电压来说，找到初始位置和电极之间的平衡位置。然而，当电压超过一定的阈值水平（即 拉近电压），器件的位移为使得静电力比机械反平衡力增大得更快的那些，并且器件朝着控 制电极快速嵌入（snap-in)(即移动）直到其与接触表面接触。
[0004] 如在图1中示意性示出的，一些DVC器件具有在可移动MEMS器件（即图1中的 板）上的控制电极（即上拉电极或拉离电极或HJ电极）和在可移动MEMS器件下的控制电 极（下拉电极或拉近电极或电极）。此外，在可移动MEMS器件之下存在RF电极。在工 作期间，MEMS器件被上拉或下拉至接触以向RF电极提供稳定的最小或最大电容。如此，从 可移动器件到RF电极（其位于可移动器件之下）的电容能够从当被拉到底部（如图2所 示）时的高电容Cniax变化到当被拉到顶部（如图3所示）时的低电容C_。
[0005] 在生产中，由于制造容差（例如层厚度和应力水平），MEMS器件会呈现拉近电压 的变化。此外，一些MEMS器件要求向拉近电极施加超过拉近电压的一定的过电压，以提供 稳定的电容。此外，CMOS控制器也会由于制造容差而呈现可用电压水平的一定变化。因此， 施加到拉动电极的电压水平通常被如此设计以提供足够的裕度以应对制造容差。
[0006] 如果非常快速地向拉近电极施加该高电压水平，则由于MEMS器件立即受到比拉 近所需的静电力大得多的静电力，所以MEMS器件会非常快速地冲向拉近电极。这会导致从 一开始MEMS器件向拉动电极的加速，并且产生导致损坏接触表面的高冲击速度。
[0007] 因此，本领域中需要减少MEMS器件在接触表面上的冲击。
【发明内容】
[0008] 本发明总体上涉及在使MEMES器件在接触表面上的冲击最小化的同时操作MEMS DVC的方法。通过在MEMS器件的拉近移动时减小驱动电压，减小MEMS器件朝接触表面的加 速，并由此减小冲击速度以及产生更少的MEMS DVC器件的损坏。
[0009] 在一个实施例中，操作MEMS DVC器件的方法包括：在第一时间段向电极施加第一 电压；将第一电压增大到第二电压，其中，所述增大在第二时间段发生；将第二电压减小到 第三电压，其中，所述减小在第三时间段发生；将第三电压增大到第四电压，其中，所述增大 在第四时间段发生。
[0010] 在另一实施例中，MEMS DVC器件包括：第一电极，其具有被布置在其上的第一介电 层并且具有第一接触表面；第二电极，其具有被布置在其上的第二介电层并且具有第二接 触表面；能够在第一接触表面和第二接触表面之间移动的MEMS器件；和第一电极电压驱动 器，其耦合到第一电极或第二电极。第一电极电压控制器被配置为：在第一时间段向第一电 极或第二电极施加第一电压；将第一电压增大到第二电压，其中，所述增大在第二时间段发 生；将第二电压减小到第三电压，其中，所述减小在第三时间段发生；并且将第三电压增大 到第四电压，其中，所述增大在第四时间段发生。 【附图说明】
[0011] 因此以能够详细地理解本发明的上述特征的方式，可以参照实施例来获得上面简 要总结的本发明的更具体的描述，所述实施例中的一些在附图中被图示。然而，应指出的 是，附图仅图示了本发明的典型实施例，并且因此不应被认为限制本发明的范围，这是因为 本发明可以允许其他等同有效的实施例。
[0012] 图1是在独立状态下DVC的MEMS器件的示意性横截面图示。
[0013] 图2是在Cmax状态下的、DVC的MEMS器件的示意性横截面图示。
[0014] 图3是在Cmin状态下的、DVC的MEMS器件的示意性横截面图示。
[0015] 图4示出了说明由快速电压斜升驱动的DVC器件的冲击速度的图表。
[0016] 图5示出了说明由慢速电压斜升驱动的DVC器件的冲击速度的图表。
[0017] 图6图示了使用摆率电阻器的电流饥饿型（current-starved)电压驱动器。
[0018] 图7图示了具有摆率电流的电流饥饿型电压驱动器。
[0019] 图8示出了图示由电流饥饿型电压驱动的DVC器件的冲击速度的图表。
[0020] 图9是使用电流源的电路实现的示意图。
[0021] 图10图示了根据一个实施例的HVSW设计。
[0022] 图11图示了根据一个实施例的HVm3发生器。
[0023] 为了便于理解，在可能的情况下使用相同的附图标记来指代为附图所共有的相同 元素。应预期的是，在一个实施例中公开的元素在没有特别说明的情况下可以有益地用于 其他实施例中。 【具体实施方式】
[0024] 本发明总体上涉及在使MEMS器件在接触表面上的冲击最小化的同时操作MEMS DVC的方法。通过在MEMS器件的拉近移动时减小驱动电压，减小MEMS器件朝接触表面的 加速，并且由此减小冲击速度以及发生更少的MEMS DVC器件的损坏。
[0025] 与诸如硅或GaAs技术之类的其他成熟技术相比，MEMS DVC展现了优越的性能改 进，但是由于各种问题仍然还没有广泛地用于许多应用中。一个问题在于MEMS寿命能够通 过MEMS自身结构或者通过控制MEMS的波形来提高。通过向电极施加电压来使MEMS器件 移动。施加的电压需要足够高以使MEMS器件移动。如果非常快速地向拉近电极施加高电 压，那么由于MEMS器件立即受到比拉近所需的静电力大得多的静电力，因此MEMS器件会非 常快速地冲向拉近电极。这会导致从一开始MEMS器件向拉电极的加速，并且产生导致损坏 接触表面的高冲击速度。
[0026] 这在图4中被示出，其中，通过Vbottom = HV和Vtop = OV的控制电压，MEMS DVC 器件首先落在底部上。在t = t〇处，底部电压被释放，并且顶部电压Vtop (Vbottom = 0V，Vtop = HV)被施加。器件立即向顶部加速直到碰撞顶部电极，在该处，所述器件以大约2m/ s的初始冲击速度在t = tl、t2、t3处跳动几次。对于MEMS器件来说，该冲击速度会导致 接触表面的结构性损坏，这极大地影响寿命。
[0027] 在图5中示出了具有稍微改进的一个电压驱动解决方案，其中，通过Vbottom = HV 和Vtop = OV的控制电压，MEMS DVC器件同样首先落在底部上。在t = tO处，底部电压被 释放（Vbot = 0V)，并且顶部电压Vtop从OV缓慢斜升到HV (该附图的时间比例比图4的 时间比例更大）。一旦器件从底部电极被释放，在顶部控制电压斜升的同时，所述器件自由 地铃振（ring)。所述铃振消逝的速率取决于MEMS器件的与空腔内部压力（压膜阻尼）和 MEMS器件自身内部的损耗相关的Q。当电压已经达到所需的拉近电压水平时，在t = tl处， 器件拉近到顶部电极。由于在该点处不存在很多的过驱动，因此冲击速度减小到大约0. 6m/ s。电压继续斜升并且在t = t2处已经达到其最终值。虽然，控制方案在图4的快速电压 驱动基础上已经得到了改进，但是该冲击速度仍是十分高的，并且能够导致接触表面的结 构性损坏，这导致过早的寿命失效。
[0028] 如本文中讨论的，在MEMS器件的拉近移动时减小驱动电压减小了 MEMS器件向接 触表面的加速度，并且由此减小了冲击速度。在MEMS器件的拉近移动时减小驱动电压的 主要优点在于极大地提高MEMS的良品率和寿命。减小驱动电压使接触表面上的冲击损坏 减少。在没有波形（即驱动电压的减小）的情况下，MEMS器件仅能够循环几百万个循环。 在寿命增加波形的情况下，MEMS器件能够在没有器件性能损失的情况下循环几十亿个循 环。另一个优点在于在控制线上的峰值电流减小，这减小了系统中的噪声并且对电路设计 的功率分配施加不那么严格的要求。
[0029] 如本文中讨论的，利用上述由慢速电压斜升驱动的方案的变化。除了慢速电压斜 升之外，驱动电压在MEMS器件嵌入时通过自控机制而急剧减小。电压的减小使MEMS器件 向电极的加速度减小，并且导致急剧减小的冲击速度。
[0030] 当MEMS器件移动时，MEMS器件和控制电极之间的电容被调制。因此，流经需要由 控制器提供的控制电容器的电流也被调制：
[0032] 在标准电容器中，电流仅由C*dV/dt给出。然而，由于电容器随着时间被调制，需 要额外的电流V*dC/dt。在MEMS器件嵌入（即移动）时，电容快速增大，并且待由控制器供 应的所需电流成指数增长。通过限制控制器能够传输的电流，减小了在嵌入时电极上的实 际电压。
[0033] 图6和图7中示出了电极电压驱动器的两种示意性实现。基础驱动器包括两个晶 体管：用于将Vcontrol拉到高电压水平HV的Ml和用于将输出电压Vcontrol拉到接地的 M2。Vcontrol连接到MEMS器件的上拉或下拉电极（由电容Ccontrol表示）。每个MEMSDVC器件具有这些控制驱动器中的两个；一个连接到上拉电极，并且一个连接到下拉电极。 与Ml串联是限流器，该限流器是电阻器Rsl (图6)或摆率限制电流源Isl (图7)。
[0034] 当Ml启动时，输出电压Vcontrol缓慢斜升到由Rsl或Isl