專利名稱：半導(dǎo)體器件和靜電致動器的驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文中描述的實施例通常涉及半導(dǎo)體器件和靜電致動器的驅(qū)動方法。
背景技術(shù)：
作為一種用于實現(xiàn)最近的電子器件的小型化、輕巧、低功率消耗和高度復(fù)雜的功能的技術(shù)，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)已經(jīng)獲得了很大的關(guān)注。MEMS是具有通過硅工藝技術(shù)結(jié)合的較小的機(jī)械元件和電子電路元件的系統(tǒng)。使用MEMS的靜電致動器用在射頻(RF)MEMS可變電容器或者RF-MEMS開關(guān)中。例如，靜電致動器包括下電極、上電極和設(shè)置在所述電極之間的絕緣膜。為了將靜電致動器從向上狀態(tài)轉(zhuǎn)換成向下狀態(tài)，在下電極與上電極之間施加電勢差以驅(qū)動上電極。


圖I是示出根據(jù)一個實施例的半導(dǎo)體器件10的框圖。圖2是如圖I所示的半導(dǎo)體器件10的電路圖。圖3是MEMS可變電容器11的俯視圖。圖4是沿圖3的線A-A’得到的MEMS可變電容器11的橫截面圖。圖5是示出參考電壓生成電路31的電路圖。圖6是示出MEMS可變電容器11的電容與所施加的電壓之間的關(guān)系的示圖。圖7是示出在電荷檢測操作時間時的電壓關(guān)系的時序圖。圖8是示出在向上狀態(tài)和向下狀態(tài)下的電壓變化AV的曲線圖。圖9是示出在向上狀態(tài)與向下狀態(tài)下的電壓變化AV之間的差δν的曲線圖。圖10是示出在電荷檢測操作時間時的電壓關(guān)系的時序圖。圖11是示出在向上狀態(tài)和向下狀態(tài)下的電壓變化AV的曲線圖。圖12是示出在向上狀態(tài)和向下狀態(tài)下的電壓變化AV之間的差δ V的曲線圖。圖13是示出半導(dǎo)體器件10的另一實例的框圖。圖14是示出半導(dǎo)體器件10的另一實例的框圖。
具體實施例方式通常，根據(jù)一個實施例，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括靜電致動器，包括第一和第二下電極，在第一和第二下電極上方通過錨狀物支撐且配置為向下移動的上電極，以及在所述上電極和所述第一和第二下電極之間提供的絕緣膜，第一下電極和上電極構(gòu)成第一可變電容元件，第二下電極和上電極構(gòu)成第二可變電容元件；第一固定電容元件，連接到第一下電極；第二固定電容元件，連接到第二下電極；以及檢測電路，連接到上電極并且配置為檢測存儲在絕緣膜中的電荷量。在下文中，將參考附圖描述本實施例。在以下的描述中，相同或功能等效的元件用相同的附圖標(biāo)記表示， 由此簡化所述描述。[I]整體結(jié)構(gòu)圖I是示出根據(jù)一個實施例的半導(dǎo)體器件10的結(jié)構(gòu)的框圖。所述半導(dǎo)體器件10包括靜電致動器11、兩個配置為驅(qū)動靜電致動器11的開關(guān)電路12和13、向開關(guān)電路12和13提供電壓Vhold的電荷泵(CP) 14、檢測存儲在靜電致動器11的絕緣膜中的電荷量的電荷檢測電路15、生成用于電荷檢測操作的必要的電壓的電壓生成電路16、兩個低通濾波器(LPF) 17和18、以及控制半導(dǎo)體器件10的操作的控制電路19。作為靜電致動器11，可以使用MEMS可變電容器或MEMS開關(guān)、并且在這個實施例中，解釋了 MEMS可變電容器作為實例使用的情況。電荷泵14提升電源電壓Vdd以生成比電源電壓Vdd高的電壓Vhold。圖2是如圖I所示的半導(dǎo)體器件的電路圖。然后，解釋MEMS可變電容器11、開關(guān)電路12和13以及電荷檢測電路15的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。[2] MEMS可變電容器11的結(jié)構(gòu)例如，MEMS可變電容器11包括兩個端口 Pl和P2，端口 Pl連接到用于傳輸高頻信號的信號線，端口 P2接地。MEMS可變電容器11包括兩個可變電容元件Cmemsi和Cmems2以及兩個固定電容元件Cmimi和Cmim2。通過低通濾波器17將可變電容元件CMEMSi和Cmems2的上電極連接到開關(guān)電路12。此外，連接到可變電容元件Cmemsi和Cmems2的上電極的Cpaka表示寄生電容器，例如互連電容器或結(jié)電容器。可變電容元件Cmemsi與可變電容元件Cmems2串聯(lián)連接。Cmimi的下電極連接到端口 Pl?？勺冸娙菰﨏mems2與固定電容元件Cmim2串聯(lián)連接。Cmim2的下電極連接到端口 P2?？勺冸娙菰﨏memsI的下電極通過電阻器Rl和低通濾波器18連接到開關(guān)電路13?？勺冸娙菰﨏mems2的下電極通過電阻器R2和低通濾波器18連接到開關(guān)電路13。MEMS可變電容器11通過如下方式配置在端口 Pl與P2之間串聯(lián)連接固定電容元件Qrai、可變電容元件Cmemsi、可變電容元件Cmems2和固定電容元件Cmim2。MEMS可變電容器11的電容等于四個電容元件的總電容。提供固定電容元件Cmimi和Cmim2以增強(qiáng)可變電容元件Cmemsi和Cmems2的耐受電壓。電阻器Rl和R2起到防止可變電容元件Cmemsi和Cmems2的下電極短路的作用。具有上述結(jié)構(gòu)的MEMS可變電容器11能夠增強(qiáng)熱切換特性。熱切換是正在將信號功率提供到MEMS可變電容器上的同時將狀態(tài)從向上狀態(tài)切換到向下狀態(tài)或者從向下狀態(tài)切換到向上狀態(tài)。通常，在熱切換時，MEMS可變電容器的可靠性降低。然而，這個實施例的具有連接在端口 Pl與P2之間的多個電容元件的MEMS可變電容器11可以減小施加到可變電各兀件CmemsI和Cmems2 上的電壓。然后，解釋MEMS可變電容器11的結(jié)構(gòu)的一個實例。圖3是MEMS可變電容器11的俯視圖。圖4是沿圖3的線A-A’得到的MEMS可變電容器11的橫截面圖。
在襯底41 (例如硅襯底41)上，例如，形成由氧化硅形成的絕緣層42，并且在絕緣層42上形成MEMS可變電容器11。在絕緣層42上，形成分離布置的兩個下電極43和44。在下電極43和44的上方布置上電極45。在下電極43和44上形成絕緣膜46，以防止下電極43和44與上電極45發(fā)生電接觸。絕緣膜46可以布置在下電極43和44與上電極45之間，例如，可以布置在上電極45下方。四個彈簧47連接到上電極45，每個彈簧47的末端由錨狀物48支撐。因此，布置在下電極43和44上方的上電極45可以通過靜電吸引向下移動。下電極43和上電極45構(gòu)成可變電容元件Cmemsiij下電極44和上電極45構(gòu)成可變電容元件Cmems2ij帶有彈簧結(jié)構(gòu)的互連49電連接到上電極45?；ミB49的末端由導(dǎo)電錨狀物50支撐。在絕緣層42上，形成下電極51和52以夾置下電極43和44。下電極51用作端口 Pl且下電極52用作端口 P2。在下電極51上形成絕緣膜53。在絕緣膜53上形成上電極54。下電極51、絕緣膜53和上電極54構(gòu)成固定電容元件CMIM1。將上電極54形成為與下電極43重疊，并且上電極54與下電極43電連接。在圖3中，上電極54與下電極43之間的連接部分57用虛線表示。下電極51和43通過絕緣膜53而彼此隔離?！ぴ谙码姌O52上形成絕緣膜55。在絕緣膜55上形成上電極56。下電極52、絕緣膜55和上電極56構(gòu)成固定電容兀件Cmim2。形成上電極56以與下電極44重疊,并且上電極56與下電極44電連接。在附圖3中，在上電極56與下電極44之間的連接部分58用虛線表示。下電極52和44通過絕緣膜53而彼此隔離。MEMS可變電容器11的電容隨從向上狀態(tài)到向下狀態(tài)或從向下狀態(tài)到向上狀態(tài)的變化而變化。向上狀態(tài)(斷開狀態(tài))是未驅(qū)動上電極45且上電極45和下電極43 (或44)是分離的狀態(tài)。向下狀態(tài)(閉合狀態(tài))是上電極45被驅(qū)動至下部分且上電極45和下電極43(或44)彼此接觸(其間設(shè)置有絕緣膜46)的狀態(tài)。[3]開關(guān)電路12和13的結(jié)構(gòu)然后，解釋開關(guān)電路12和13的結(jié)構(gòu)。開關(guān)電路12和13是用于驅(qū)動MEMS可變電容器11的驅(qū)動電路。開關(guān)電路12和13的結(jié)構(gòu)是相同的，并且下文舉例解釋了開關(guān)電路
12。在圖2中，僅僅示出開關(guān)電路12的電路結(jié)構(gòu)。如圖2所示，開關(guān)電路12包括四個開關(guān)元件21至24，兩個本地升壓器25和26以及升壓電容器CBT。使用具有高耐受電壓的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)作為開關(guān)元件21和22，例如使用N溝道MOSFET (NM0SFET)。例如，使用NM0SFET作為開關(guān)元件23和24。NM0SFET 21的漏極連接到電荷泵14的輸出端，并且NM0SFET 21的源極通過節(jié)點NI連接到升壓電容器CBT的第一電極。MOSFET 21的柵極電壓由本地升壓器(LB)25控制。NM0SFET 22的漏極連接到電荷泵14的輸出端，并且NM0SFET 22的源極通過節(jié)點N2連接到升壓電容器CBT的第二電極。NM0SFET 22的柵極電壓由本地升壓器26控制。節(jié)點NI連接到第一放電電路23。放電電路23基于來自控制電路19的控制信號將節(jié)點NI放電至地電壓Vss。節(jié)點N2連接到第二放電電路24。放電電路24基于來自控制電路19的控制信號將節(jié)點N2放電至地電壓Vss。放電電路23和24中的每一個均由例如NM0SFET配置而成。[4]電荷檢測電路15的結(jié)構(gòu)
接下來，解釋電荷檢測電路15的結(jié)構(gòu)。當(dāng)MEMS可變電容器11重復(fù)地設(shè)定在向上狀態(tài)和向上狀態(tài)時，出現(xiàn)電荷存儲在上電極45與下電極43和44之間的絕緣膜46中的所謂的充電。當(dāng)所存儲的電荷量超出特定的閾值時，出現(xiàn)上電極45不從絕緣膜46分離的所謂的粘滯(sticktion)缺陷。電荷檢測電路15基于MEMS可變電容器11的電容確定存儲在絕緣膜46中的電荷量。作為電荷檢測方法，提供一種用于在MEMS可變電容器11設(shè)定在向下狀態(tài)后將MEMS可變電容器11的上電極45與下電極43 (或44)之間的施加電壓設(shè)定為恒定監(jiān)視電壓Vmon的方法。此時，根據(jù)上電極45是否從絕緣膜46分離可以估計存儲在絕緣膜46中的電荷量。如圖2所示，電荷檢測電路15包括參考電壓生成電路31、比較器(COMP) 32和兩個開關(guān)元件33和34。例如，使用NM0SFET作為開關(guān)元件33和34。
參考電壓生成電路31生成參考電壓Vref。參考電壓生成電路31的輸出端通過節(jié)點N3和NM0SFET33連接到比較器32的第一輸入端子。開關(guān)電路12的節(jié)點NI通過NM0SFET34連接到比較器32的第二輸入端子。電荷檢測電路15連接到構(gòu)成具有較小寄生電容的靜電致動器的上電極和下電極中的一個。在該實施例中，固定電容元件Cmimi和Cmim2分別連接到下電極43和44，并且由于固定電容元件是金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)的電容器，固定電容元件Cmimi和Cmim2的電容與寄生電容器Cpaea的電容相比更大。因此，電荷檢測電路15連接到上電極45，所述上電極45的寄生電容小于下電極的寄生電容。圖5是示出參考電壓生成電路31的結(jié)構(gòu)的電路圖。參考電壓生成電路31包括電荷泵14、開關(guān)電路12和13、低通濾波器(LPF)17和18、電阻器Rl和R2、寄生電容器Cpaka以及兩個固定電容元件Ckefi和CKEF2。構(gòu)成參考電壓生成電路31的電荷泵14、開關(guān)電路12和
13、低通濾波器17和18、電阻器Rl和R2以及寄生電容器Cpaea具有與在圖2中用相同附圖標(biāo)記表示的那些部分相同的結(jié)構(gòu)，并且它們的連接關(guān)系與圖2中的連接關(guān)系相同。圖5中所示的電荷泵14 一般可以用于圖2所示的電荷泵14。圖5的開關(guān)電路12和13由控制電路19控制，以執(zhí)行與圖2的開關(guān)電路12和13所執(zhí)行的操作相同的操作。固定電容器Ckefi可以由以下的方程式表不CREn- (CMEMS1_up+CMEMS1_dn) /2CmemsiJP表示當(dāng)MEMS可變電容器11設(shè)定在向上狀態(tài)時的可變電容元件Cmemsi的電容。表示當(dāng)MEMS可變電容器11設(shè)定在向下狀態(tài)時的可變電容元件Cmemsi的電容。固定電容器Ckef2可以由以下的方程式表不Ceef2- (CMEMS2_up+CMEMS2_dn) /2C—iUp表示當(dāng)MEMS可變電容器11設(shè)定在向上狀態(tài)時的可變電容元件Cmems2的電容。表示當(dāng)MEMS可變電容器11設(shè)定在向下狀態(tài)時的可變電容元件Cmems2的電容。具有上述結(jié)構(gòu)的參考電壓生成電路31可以生成參考電壓Vref，該參考電壓Vref是在當(dāng)MEMS可變電容器11設(shè)定在向上狀態(tài)時的節(jié)點NI的電壓與當(dāng)MEMS可變電容器11設(shè)定在向下狀態(tài)時的節(jié)點NI的電壓之間的中間電壓。[5-1]操作 I :首先，解釋MEMS可變電容器11的操作。在向上狀態(tài)，上電極45與下電極43 (或44)之間的電勢差小于下拉(pull-in)電壓。下拉電壓是用于上電極45向下移動所需要的電壓，并且是使靜電吸引變得大于彈簧47的回復(fù)力的電壓，所述靜電吸引用于將上電極45吸引向下電極43。向下狀態(tài)可以通過例如使開關(guān)電路12向上電極45施加地電壓Vss且使開關(guān)電路13向下電極43和44施加地電壓Vss來實現(xiàn)。作為具體操作，在開關(guān)電路12和13的每一個中，使NM0SFET23導(dǎo)通，以使節(jié)點NI放電至地電壓Vss。作為實現(xiàn)向下狀態(tài)的方法，提供了一種用于在上電極45與下電極43之間施加從上電極45作用到下電極43的電場(向下電場)的方法和一種執(zhí)行相反操作的方法。首先，解釋用于施加向下電場的方法。以以下的順序操作開關(guān)電路12的NM0SFET 21和22以便 驅(qū)動MEMS可變電容器11(將其設(shè)定在向下狀態(tài))(l)NMOSFET 21 :導(dǎo)通(2) NM0SFET 21 :關(guān)斷(3 ) NM0SFET22 導(dǎo)通在步驟(1)，通過電荷泵14對升壓電容器Cbt進(jìn)行充電以將節(jié)點NI的電壓設(shè)定在電壓Vhold附近。電壓Vhold是MEMS可變電容器11的保持電壓(hold voltage)，并且設(shè)定為小于下拉電壓。因此，此時，MEMS可變電容器11保持在向上狀態(tài)。下拉電壓是使上電極45向下移動所需的電壓。保持電壓是保持在上電極45向下移動且與絕緣膜46接觸后所得到的狀態(tài)所需的電壓。隨后，在步驟(2)關(guān)斷NM0SFET 21，然后，在步驟(3)將節(jié)點N2的電勢設(shè)定在電壓Vhold附近。此時，通過升壓電容器Cbt的電容耦合，節(jié)點NI的電勢提升至比下拉電壓高的驅(qū)動電壓Vact。結(jié)果，實現(xiàn)了 MEMS可變電容器11的向下狀態(tài)。下電極43和44通過開關(guān)電路13的NM0SFET23保持在OV。在這之后，使NM0SFET 21導(dǎo)通，使NM0SFET 22關(guān)斷，并且使NM0SFET 24導(dǎo)通。結(jié)果，節(jié)點NI的電勢設(shè)定在電壓VhoId附近，并且保持MEMS可變電容器11的向下狀態(tài)。然后，解釋檢測存儲在MEMS可變電容器11中的電荷量的操作。如前所述，當(dāng)MEMS可變電容器11重復(fù)地設(shè)定在向上狀態(tài)和向下狀態(tài)時，電荷存儲在上電極45與下電極43和44之間的絕緣膜46中。圖6是示出MEMS可變電容器11的電容與所施加的電壓之間的關(guān)系的示圖。在圖6中，示出了在上電極45與下電極43和44之間的絕緣膜46中幾乎未存儲電荷的情況(虛線)以及在絕緣膜46中存儲電荷的情況(實線)。圖6中的橫坐標(biāo)表示上電極45與下電極43和44之間的電勢差Λ V，縱坐標(biāo)表示MEMS可變電容器11的電容。如圖6所示，當(dāng)在絕緣膜46中幾乎未存儲電荷時，用于從絕緣膜46分離上電極45的電壓(上拉(pull-out)電壓)變得更高。上拉電壓隨著存儲在絕緣膜46中的電荷增多而變低。在該實施例中，根據(jù)當(dāng)電勢差A(yù)V設(shè)定在監(jiān)視電壓Vmon時上電極45是否從絕緣膜46分離來檢測存儲在絕緣膜46中的電荷量。監(jiān)視電壓Vmon的上限設(shè)定為比當(dāng)在絕緣膜46中幾乎未存儲電荷時所設(shè)定的上拉電壓低的電壓。此外，監(jiān)視電壓Vmon的下限可以設(shè)定為比OV高的期望電壓，并且設(shè)定為較低的電壓，以檢測在絕緣膜46中存儲有較多電荷的狀態(tài)。另一方面，如果檢測到在絕緣膜46中存儲有較少電荷的狀態(tài)，則將其設(shè)定為較高的電壓。監(jiān)視電壓Vmon是由圖I的電壓生成電路16生成的。圖7是示出在電荷檢測操作時的電壓關(guān)系的時序圖。圖7示出當(dāng)施加向下電場時的電荷檢測操作的實例。首先，將MEMS可變電容器11設(shè)定在向下狀態(tài)。此時，開關(guān)電路13將下電極43和44的電勢設(shè)定為接地電壓Vss (=OV)ο這是通過使開關(guān)電路13的NM0SFET 23導(dǎo)通實現(xiàn)的。此外，在向上電極45施加電壓Vact之后，開關(guān)電路12將上電極45的電勢設(shè)定為電壓Vhold。結(jié)果，將MEMS可變電容器11設(shè)定在向下狀態(tài)。然后，控制電路19使NM0SFET 35導(dǎo)通以向上電極45施加監(jiān)視電壓Vmon。此時，開關(guān)電路12的NM0SFET 21保持關(guān)斷。同樣地，控制電路19也向參考電壓生成電路31施加監(jiān)視電壓Vmon。然后，使開關(guān)電路12的NM0SFET 22導(dǎo)通，并且使NM0SFET 24關(guān)斷。結(jié)果，開關(guān)電路12的節(jié)點N2設(shè)定為電壓Vhold。在這種情況下，設(shè)定了和CMEMS2_up< CMEMS2_dn的關(guān)系。因此，如果MEMS可變電容器11設(shè)定在向上狀態(tài)(up)時，則上電極45的電極極大地上升，并且如果MEMS可變電容器11設(shè)定在向下狀態(tài)(dn)時，則上電極45的電壓輕微上升。就是說，如果在向上狀態(tài)時的電壓變化是△ V_up，在向下狀態(tài)時的電壓變化·是Λ V_dn,則設(shè)定了 Λ V_up> Δ V_dn的關(guān)系。Δ V_up由以下的方程式(I)表示
ΓΓ1Γ1-,ηΠ Δν up=—------Vhold
LUU/9J — cBT + cMEMSl _up+CMEMS2_up+Cpara⑴Δ V_dn由以下的方程式(2)表示
Γ^οιΠ Δν dn=—------；——--Vhold
L0081」 — Cbt+Cmems1 _dn+Cmems2 _dn+Cpara⑵通過使NM0SFET 33導(dǎo)通而從參考電壓生成電路31向比較器32的第一輸入端子施加參考電壓Vref。由于參考電壓生成電路31執(zhí)行與開關(guān)電路12和13相同的操作，參考電壓Vref設(shè)定為在“Vmon+ Δ V_up”與“Vmon+ Δ V_dn”之間的中間電壓。比較器32比較上電極45的電壓(節(jié)點NI的電壓)與參考電壓Vref。基于比較結(jié)果，在將監(jiān)視電壓Vmon施加到上電極45的同時可以確定MEMS可變電容器11是設(shè)定在向上狀態(tài)還是向下狀態(tài)。將確定結(jié)果傳送給控制電路19。當(dāng)驅(qū)動MEMS可變電容器11時，控制電路19基于上述確定結(jié)果確定在上電極與下電極之間的電場方向。就是說，如果確定檢測操作的結(jié)果是MEMS可變電容器11設(shè)定在向上狀態(tài)，則由于在絕緣膜46中未存儲大于或等于閾值的電荷，控制電路19在不改變MEMS可變電容器11的上電極與下電極之間的電場方向的情況下驅(qū)動MEMS可變電容器11。另一方面，如果確定檢測操作的結(jié)果是MEMS可變電容器11設(shè)定在向下狀態(tài)，則由于在絕緣膜46中存儲有大于或等于閾值的電荷，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方向，并且驅(qū)動MEMS可變電容器11。(實施例)下文解釋根據(jù)該實施例的操作I的半導(dǎo)體器件10的實驗結(jié)果。在測量半導(dǎo)體器件10的實驗結(jié)果的過程中，使用在下表中示出的編號(numeral)。此外，在如(I)至(3)所示那樣改變條件的同時進(jìn)行三個模式的測量。表ICmems—uP(fF)CMEMS—dn(fF)Cbt (fF)Cpara (fF)
T88. 3081867.0449002000
J176.64373484002000
~264.965601.04119002000Cmems^P表示當(dāng)MEMS可變電容器11設(shè)定在向上狀態(tài)時的可變電容元件Cmemsi或Cmems2的電容。CMEMS_dn表示當(dāng)MEMS可變電容器11設(shè)定在向下 狀態(tài)時的可變電容元件C_或Cmems2的電容。Cbt表示開關(guān)電路12的升壓電容器的電容。Cpaea表示寄生電容。圖8是示出向上狀態(tài)中的電壓變化Λ V_up和向下狀態(tài)中的電壓變化Λ V_dn的曲線圖。圖8的橫坐標(biāo)表不電壓Vhold(V),并且縱坐標(biāo)表不電壓變化Δ V。圖8中的編號(I)至(3)對應(yīng)于以上表格中的編號。如從圖8中所理解的，在AV_up與AV_dn之間的差值在三種條件(I)至(3)中的任意一種情況下變得較大。因此，在電荷檢測操作中可以確定MEMS可變電容器11的向上狀態(tài)和向下狀態(tài)。圖9是示出向上狀態(tài)中的電壓變化Λ V_up與向下狀態(tài)中的電壓變化AV_dn之間的電勢差δ V的曲線圖。圖9的橫坐標(biāo)表示電壓Vhold (V),并且縱坐標(biāo)表示電勢差δν(V)。電勢差δ V由以下的方程式表示δ V= Δ V_up- Δ V_dn如從圖9中所理解的，電勢差δ V在三種條件(I)至(3)中的任意一種情況下變得較大。[5-2]操作 2 然后，解釋當(dāng)驅(qū)動MEMS可變電容器11時在下電極43與上電極45之間施加從下電極43作用到上電極45的電場(向下電場)的實例。通過反轉(zhuǎn)在前述的操作I中的開關(guān)電路12和13的操作可以實現(xiàn)施加向上電場以將MEMS可變電容器11設(shè)定在向下狀態(tài)的操作。下文解釋在向上施加電場時的電荷檢測操作的實例。圖10是示出電荷檢測操作時的電壓關(guān)系的時序圖。首先，MEMS可變電容器11設(shè)定在向下狀態(tài)。此時，開關(guān)電路12將上電極45的電勢設(shè)定為0V。這是通過使開關(guān)電路12的NM0SFET 23導(dǎo)通實現(xiàn)的。此外，開關(guān)電路13在將電壓Vact施加到下電極43和44之后將下電極43和44的電勢設(shè)定為電壓Vhold。結(jié)果，MEMS可變電容器11設(shè)定在向下狀態(tài)。隨后，控制電路19使NM0SFET 36導(dǎo)通，并且將固定電壓VA施加到上電極45。同樣地，控制電路19也將固定電壓VA施加到參考電壓生成電路31。此外，控制電路19使NM0SFET 37和38導(dǎo)通，并且將電壓“VA+Vmon”施加到下電極43和44。通過電壓生成電路16生成固定電壓VA。固定電壓VA基本上設(shè)定為與監(jiān)視電壓Vmon相同的電壓。結(jié)果,在電荷檢測中的操作點可以設(shè)定為與施加向上電場的情況下的點相同的點。如果所述操作點不需要設(shè)定為所述相同點，則VA可以設(shè)定為0V。
然后，控制電路19使開關(guān)電路13的NMOSFET 21導(dǎo)通，并且將電壓Vhold施加到下電極43和44。此外，控制電路19關(guān)斷開關(guān)電路12的NMOSFET 22和24，以使開關(guān)電路12的節(jié)點N2浮置。使開關(guān)電路12的節(jié)點N2浮置的原因是為了抑制開關(guān)電路12的升壓電容器Cbt帶來的影響。此時，如果MEMS可變電容器11設(shè)定在向下狀態(tài)(dn)，則上電極45的電壓極大地上升，并且如果MEMS可變電容器11設(shè)定在向上狀態(tài)(up)，則上電極45的電壓輕微地上升。就是說，如果向上狀態(tài)中的電壓變化是ΛV_up，向下狀態(tài)中的電壓變化是AV_dn，則設(shè)定了 Δ V_up< Δ V_dn 的關(guān)系。Λ V_up由以下的方程式(3)表示
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件,包括 靜電致動器，包括第一和第二下電極，所述第一和第二下電極上方通過錨狀物支撐的且配置為向下移動的上電極，以及所述上電極與所述第一和第二下電極之間提供的絕緣膜，所述第一下電極和上電極構(gòu)成第一可變電容元件，所述第二下電極和上電極構(gòu)成第二可變電容元件； 第一固定電容元件，連接到所述第一下電極； 第二固定電容元件，連接到所述第二下電極；以及 檢測電路，連接到所述上電極并且配置為檢測存儲在所述絕緣膜中的電荷量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的器件，進(jìn)一步包括 驅(qū)動電路，包括升壓電容器，所述升壓電容器的第一電極連接到所述上電極，所述驅(qū)動電路配置為在所述下電極與所述上電極之間施加向下的電場以向下驅(qū)動所述上電極且將所述靜電致動器設(shè)定在向下狀態(tài)； 電壓生成電路，配置為生成監(jiān)視電壓，該監(jiān)視電壓用于確定存儲在所述絕緣膜中的所述電荷量是否不小于閾值；以及 控制電路，配置為在所述靜電致動器保持在所述向下狀態(tài)的同時，在將所述監(jiān)視電壓施加到所述上電極之后將第一電壓施加到所述升壓電容器的第二電極， 其中，在將所述第一電壓施加到所述升壓電容器的所述第二電極時，所述檢測電路檢測所述上電極的電壓變化的程度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件，其中，當(dāng)所述電荷量不小于所述閾值時所述靜電致動器設(shè)定在所述向下狀態(tài)，并且當(dāng)所述電荷量小于所述閾值時所述靜電致動器設(shè)定在所述向上狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，其中，所述向上狀態(tài)中的所述電壓變化大于所述向下狀態(tài)中的所述電壓變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件，其中，當(dāng)所述電荷量不小于所述閾值時，所述控制電路改變在所述下電極與所述上電極之間的電場方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的器件，進(jìn)一步包括 驅(qū)動電路，配置為在所述下電極與所述上電極之間施加向上的電場以向下驅(qū)動所述上電極且將所述靜電致動器設(shè)定在向下狀態(tài)； 電壓生成電路，配置為生成監(jiān)視電壓，該監(jiān)視電壓用于確定存儲在所述絕緣膜中的所述電荷量是否不小于閾值；以及 控制電路，配置為在所述靜電致動器保持在向下狀態(tài)的同時，在將所述監(jiān)視電壓施加到所述下電極之后將第一電壓施加到所述下電極， 其中，在將所述第一電壓施加到所述下電極時，所述檢測電路檢測所述上電極的電壓變化的程度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中，當(dāng)所述電荷量不小于所述閾值時所述靜電致動器設(shè)定在所述向下狀態(tài)，并且當(dāng)所述電荷量小于所述閾值時所述靜電致動器設(shè)定在所述向上狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中，所述向上狀態(tài)中的所述電壓變化小于所述向下狀態(tài)中的所述電壓變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中，當(dāng)所述電荷量不小于所述閾值時，所述控制電路改變在所述下電極與所述上電極之間的電場方向。
10.一種半導(dǎo)體器件，包括 靜電致動器，包括下電極，所述下電極上方通過錨狀物支撐的且配置為向下移動的上電極，以及在所述上電極與所述下電極之間提供的絕緣膜；以及 檢測電路，連接到所述下電極和所述上電極中的具有較小寄生電容的一個，并且用于檢測存儲在所述絕緣膜中的電荷量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，進(jìn)一步包括 驅(qū)動電路，包括升壓電容器，所述升壓電容器的第一電極連接到所述上電極，所述驅(qū)動電路配置為在所述下電極與所述上電極之間施加向下的電場以向下驅(qū)動所述上電極且將所述靜電致動器設(shè)定在向下狀態(tài)； 電壓生成電路，配置為生成監(jiān)視電壓，該監(jiān)視電壓用于確定存儲在所述絕緣膜中的所述電荷量是否不小于閾值；以及 控制電路，配置為在所述靜電致動器保持在所述向下狀態(tài)的同時，在將所述監(jiān)視電壓施加到所述上電極之后將第一電壓施加到所述升壓電容器的第二電極， 其中，在將所述第一電壓施加到所述升壓電容器的所述第二電極時，所述檢測電路檢測所述上電極的電壓變化的程度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中，當(dāng)所述電荷量不小于所述閾值時所述靜電致動器設(shè)定在所述向下狀態(tài)，并且當(dāng)所述電荷量小于所述閾值時所述靜電致動器設(shè)定在所述向上狀態(tài)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中，當(dāng)所述電荷量不小于所述閾值時，所述控制電路改變所述下電極與所述上電極之間的電場方向。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，進(jìn)一步包括 驅(qū)動電路，配置為在所述下電極與所述上電極之間施加向上的電場以向下驅(qū)動所述上電極且將所述靜電致動器設(shè)定在向下狀態(tài)； 電壓生成電路，配置為生成監(jiān)視電壓，該監(jiān)視電壓用于確定存儲在所述絕緣膜中的所述電荷量是否不小于閾值；以及 控制電路，配置為在所述靜電致動器保持在向下狀態(tài)的同時，在將所述監(jiān)視電壓施加到所述下電極之后將第一電壓施加到所述下電極， 其中在施加所述第一電壓時，所述檢測電路檢測所述上電極的電壓變化的程度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的器件，其中，當(dāng)所述電荷量不小于所述閾值時所述靜電致動器設(shè)定在所述向下狀態(tài)，并且當(dāng)所述電荷量小于所述閾值時所述靜電致動器設(shè)定在所述向上狀態(tài)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的器件，其中，當(dāng)所述電荷量不小于所述閾值時，所述控制電路改變所述下電極與所述上電極之間的電場方向。
17.一種靜電致動器的驅(qū)動方法，所述靜電致動器包括下電極，所述下電極上方通過錨狀物支撐的且配置為向下移動的上電極，以及所述下電極與所述上電極之間提供的絕緣膜，所述方法包括 在所述下電極與所述上電極之間施加向下的電場，向下驅(qū)動所述上電極以將所述靜電致動器設(shè)定在向下狀態(tài)， 將監(jiān)視電壓施加到所述上電極以確定存儲在所述絕緣膜中的電荷量是否不小于閾值，將第一電壓施加到升壓電容器的第二電極，所述升壓電容器的第一電極連接到所述上電極，以及 檢測所述上電極的電壓變化的程度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括 將所述電壓變化與參考值進(jìn)行比較；以及 當(dāng)所述電壓變化大于所述參考值時，確定所述電荷量不小于所述閾值。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括 當(dāng)所述電荷不小于所述閾值時，改變在所述下電極與所述上電極之間的電場方向。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，當(dāng)所述電荷不小于所述閾值時所述靜電致動器設(shè)定在所述向下狀態(tài)，并且當(dāng)所述電荷小于所述閾值時所述靜電致動器設(shè)定在所述向上狀態(tài)。
全文摘要
根據(jù)一個實施例，半導(dǎo)體器件包括靜電致動器，所述靜電致動器包括第一和第二下電極(43，44)，所述第一和第二下電極(43，44)上方通過錨狀物支撐的且配置為向下移動的上電極(45)，以及所述上電極(45)與所述第一和第二下電極(43，44)之間提供的絕緣膜(46)，所述第一下電極(43)和上電極(45)構(gòu)成第一可變電容元件(CEMS1)，所述第二下電極(44)和上電極(45)構(gòu)成第二可變電容元件(CMEMS2)；第一固定電容元件(CMIM1)，連接到所述第一下電極(43)；第二固定電容元件(CMIM2)，連接到所述第二下電極(44)；以及檢測電路(15)，連接到所述上電極(45)并且配置為檢測存儲在所述絕緣膜(46)中的電荷量。
文檔編號H02N1/00GK102959850SQ20118002939
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者池橋民雄, 宮崎隆行, 原浩幸 申請人:株式會社東芝