(57)【要約】      （修正有）【課題】サージ電圧の低減により耐久性を改善した微小電気機械システムスイッチングアレイを提供する。【解決手段】微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチングアレイ１０００は、前記スイッチングアレイ１０００のゲートライン１００６に結合され、前記スイッチングアレイ１０００を構成する複数のＭＥＭＳスイッチに印加されるゲート信号の時間分布を調整する回路１００８を備える。前記時間分布を、電流の切り替え中、前記スイッチに生じる可能性があるサージ電圧を低減させるように成形してもよい。【選択図】図１０
2012238586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲートライン（１００６）を経て印加されるゲート信号に応答して電流を切り替えるように結合された複数のＭＥＭＳスイッチと、
前記ゲートライン（１００６）に結合され、前記複数のＭＥＭＳスイッチに印加されるゲート信号の時間分布を調整する回路（１００８）とを備え、前記時間分布が、前記電流の切替中、前記複数のＭＥＭＳスイッチの少なくともいくつかに生じる可能性があるサージ電圧を低減させるように成形される、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチアレイ（１０００）。
【請求項２】
前記回路（１００８）が、前記ＭＥＭＳスイッチアレイ（１０００）によって切り替えられるべき電流のレベルを感知するセンサ（１０２８）を備える、請求項１記載のＭＥＭＳスイッチアレイ（１０００）。
【請求項３】
前記回路が、前記ＭＥＭＳスイッチアレイ（１０００）によって切り替えられるべき電流の感知されたレベルに基づいて前記ゲート信号の時間分布を動的に調整するように構成された制御回路（１０３２）を備える、請求項２記載のＭＥＭＳスイッチアレイ（１０００）。
【請求項４】
前記回路（１００８）が、前記ゲート信号に対する前記ＭＥＭＳスイッチアレイ（１０００）の時間的応答に影響を及ぼすように選択された少なくとも１つの受動部品を備える、請求項１記載のＭＥＭＳスイッチアレイ（１０００）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの受動部品がコンデンサを備える、請求項４記載のＭＥＭＳスイッチアレイ（１０００）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの受動部品が前記コンデンサに結合された抵抗を備える、請求項５記載のＭＥＭＳスイッチアレイ（１０００）。
【請求項７】
前記回路（１００８）がオンチップ回路を備える、請求項１記載のＭＥＭＳスイッチアレイ（１０００）。
【請求項８】
前記回路（１００８）がオフチップ回路を備える、請求項１記載のＭＥＭＳスイッチアレイ（１０００）。
【請求項９】
前記回路（１００８）が、前記スイッチアレイの前記ゲートライン（１２０６）およびビームライン（１２１０）の両端間に結合されている、請求項１記載のＭＥＭＳスイッチアレイ（１０００）。
【請求項１０】
前記ゲートラインが第１の端部から第２の端部まで延在し、さらに、前記回路が前記ゲートラインの前記第１の端部と前記第２の端部の間に結合されている、請求項１記載のＭＥＭＳスイッチアレイ（１０００）。
【請求項１１】
ゲートライン（１００６）を経て印加されるゲート信号に応答して電流を切り替えるように結合されたＭＥＭＳスイッチのアレイ（１０００）と、
前記ゲートライン（１００６）に結合され、前記ゲート信号を供給するゲートドライバ（１００４）と、
前記ゲートライン（１００６）に結合され、前記複数のＭＥＭＳスイッチに印加される前記ゲート信号の時間分布を調整する回路（１００８）とを備え、前記時間分布が、前記ＭＥＭＳスイッチの少なくともいくつかに生じる可能性があるサージ電圧を低減させるように成形される、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、２００９年５月２９日に出願された米国特許出願第１２／４７４２９９号の一部継続出願であり、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般に電気部品の分野に関する。より詳細には、本発明は、電気スイッチおよび電気スイッチアレイなど電気部品の信頼性の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、微細加工技術によって基板上で機械素子を電気素子と一体化することを意味する。電気素子は一般に集積回路製造プロセスを使用して製造されるが、機械部品は一般にリソグラフィプロセス、金属化プロセス、またはエッチングプロセスなど互換の微細加工プロセスを使用して製造される。このようなプロセスを用いることができることは、ＭＥＭＳ装置に特有の特徴的な「マイクロスケール」寸法の制御を向上させることができるため、ＭＥＭＳ製造技術の重要な利点である。このようなプロセスにより、共通の基板ダイ上でＭＥＭＳ装置のバッチ製造が可能になるため、ＭＥＭＳ装置の効率的な生産も可能になる。
【０００４】
ＭＥＭＳ技術は、動作するために限定された可動範囲を必要とするアクチュエータまたはスイッチなど構成部品を製造するのに適している。スイッチアレイもまた、ＭＥＭＳ技術に基づいて実現することができる。
【０００５】
ある形式のＭＥＭＳは懸吊接続部材を含み、この懸吊接続部材はカンチレバーなど可動ビームの形状であり得る。このような装置は、さらに、懸吊接続部材の運動を生じさせる作動機構を含むことができ、この作動機構は静電気式であってもよい。この運動は、懸吊接続部材の表面とＭＥＭＳの隣接部分の表面との間に電気的接触の「形成」および「遮断」を生じさせることによって、ＭＥＭＳの任意の２つ以上の部分間の電気通信を可能にする。
【０００６】
ＭＥＭＳスイッチアレイが通電状態から「開離」するとき、許容できない高電圧がＭＥＭＳスイッチの両端間に発生するおそれがある。このような電圧が発生することにより、スイッチアレイの個々のスイッチの電気接点間にアークが発生するおそれがある。したがって、ＭＥＭＳスイッチアレイの性能の信頼性に影響を及ぼす問題は、開離中に問題の２つの部品間に生じるアーク、またはそれらの溶着の可能性に関係する。このアーク発生および／または溶着により、電気的接点触抵抗が制御されずに変動するおそれがあり、任意の１つ以上の電気的接点が一時的または恒久的に焼き付くおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７７３７８１０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０１１５２５５号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００８／０３１００５６号明細書
【特許文献４】米国特許第４７２３１８７号明細書
【発明の概要】
【０００８】
信頼性が高く対費用効果が高いＭＥＭＳおよびＭＥＭＳアレイの開発は、ＭＥＭＳ技術が直面している課題の一つである。したがって、高信頼性ＭＥＭＳおよびＭＥＭＳアレイが非常に望まれている。
【０００９】
本発明の態様は、ゲートラインを経て印加されるゲート信号に応答して電流を切り替えるように結合された複数のＭＥＭＳスイッチを含む微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチアレイによって実施することができる。回路を前記ゲートラインに結合し、前記複数のＭＥＭＳスイッチに印加される前記ゲート信号の時間分布を調整するようにしてもよい。電流の切り替え中に前記複数のＭＥＭＳスイッチの少なくともいくつかに発生するおそれがあるサージ電圧を低減させるように前記時間分布を成形してもよい。
【００１０】
本発明の態様は、さらに、ゲートラインを経て印加されるゲート信号に応答して電流を切り替えるように結合されたＭＥＭＳスイッチのアレイを含むシステムによって実施することができる。ゲートドライバを前記ゲートラインに結合し、前記ゲート信号を供給するようにしてもよい。回路を前記ゲートラインに結合し、前記複数のＭＥＭＳスイッチに印加される前記ゲート信号の時間分布を調整するようにしてもよい。前記ＭＥＭＳスイッチの少なくともいくつかで発生するおそれがあるサージ電圧を低減させるように前記時間分布を成形してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態による電気システムの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態によるスイッチアレイの個々のスイッチの開離時間分布に関する３つの代表的な可能性のグラフである。
【図３】「高速」開離時間分布に関する、負荷電流の時間変化と、ＨＡＬＴ回路電流の時間変化と、対応する誘導サージ電圧の時間変化とを表すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態による、「低速」開離時間分布に関する、負荷電流の時間変化と、ＨＡＬＴ回路電流の時間変化と、対応する誘導サージ電圧の時間変化とを表すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態による、「成形」開離時間分布に関する、負荷電流の時間変化と、ＨＡＬＴ回路電流の時間変化と、対応する誘導サージ電圧の時間変化とを表すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態による、電気装置の両端間の誘導サージ電圧を低下させる方法を示すフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態による、電気装置の電気抵抗を変化させる方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による、電流バイパス回路を含む電気装置の両端間の誘導サージ電圧を低下させる電気システムの概略図である。
【図９】本発明の一実施形態による、スイッチアレイの両端間の誘導サージ電圧を低下させるシステムの概略図である。
【図１０】ＭＥＭＳスイッチアレイ内で電気的に直列に接続され本発明の態様を具体化するゲート電圧タイミング調整回路に結合される、複数のゲート回路の例示的ネットワークモデル表現の回路図である。
【図１１】本発明の態様を具体化する動的に調整可能なゲート電圧タイミング調整回路に結合される、例示的ＭＥＭＳスイッチアレイの回路図である。
【図１２】本発明の態様から利益を得ることができる代替のＭＥＭＳスイッチアレイアーキテクチャの例示実施形態である。
【図１３】本発明の態様を具体化するＭＥＭＳスイッチアレイに印加されるゲート信号の例示的時間分布の作動状況例を説明するヒストグラムプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の説明では、本発明の実施形態の特定の態様または特徴が、グループの少なくとも１つの要素およびその組み合わせを備える、またはそれから構成されると述べられる場合はいつでも、前記態様または特徴が、単独にまたは前記グループの任意の他の要素との組み合わせで、前記グループの任意の要素を備えても、それらから構成されてもよいことが理解されよう。
【００１３】
本明細書では、「スイッチ」という用語は、電気部品の２つの部分を接続および切断するために使用できる装置を指す。このようなスイッチの動作機構は、機械的であってもよく、電気的であってもよく、化学的であってもよく、これらの組み合わせであってもよい。このようなスイッチの好適な非限定的な例は、微小電気機械システムスイッチである。
【００１４】
本明細書では、「スイッチアレイ」という用語は、単一のダイ上で製造されたスイッチのアレイを指してもよく、各々が多数のスイッチを含むダイのアレイを指してもよい。
【００１５】
スイッチアレイなど電気装置を保護するシステムおよび方法は既知である。スイッチの非限定的な例は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を含む。ある既知の「保護」システムは、ハイブリッドアーク制限技術（ＨＡＬＴ）回路（例えば、クムファー他の米国特許出願公開第２００９／０１１５２５５Ａ１号、クムファー他の米国特許出願公開第２００８／０３１００５６Ａ１号、ハウエルの米国特許第４７２３１８７号を参照）を含む。ＨＡＬＴ回路は、負荷電流および／または故障電流の遮断中に発生するアークから電気装置を保護する。ある非限定的な例では、ＭＥＭＳのアレイは、例えば、モータ起動システムに利用することができる。
【００１６】
故障状態中には、一般に、電気装置を迅速に「開離」する必要がある。結果として生じる対応する電気バイアスの量の急激な変化は、結果として装置の両端間にバイアスを発生させ、このバイアスが電気装置内の電気接点間のアーク発生を誘発する可能性により電気装置の損傷リスクをもたらす。保護回路、例えばＨＡＬＴ回路は、電気接点が開離するとき、結果として電気接点間に生じるバイアス、例えば電圧が、電気接点のいわゆる「溶融電圧」を超えるのを実質的に防ぐことによって機能する。電圧に寄与する複数の要因が存在する。第１の寄与は、ＨＡＬＴ回路内のダイオードブリッジの静的な不平衡電圧によるものである。この静的な不平衡電圧は、実質的には、負荷電流と、ＨＡＬＴ回路によってダイオードブリッジを経て発生される電流パルスとの両方が同時に流れる結果として生じる。静的な不平衡電圧の軽減戦略に取り組むシステムおよび方法は既知である（例えば、上記で引用した文献を参照されたい）。前記電圧への第２の寄与は、実質的には、ＨＡＬＴ回路ダイオードブリッジの配線内の誘導サージ電圧の結果であることが確認されている。
【００１７】
誘導サージ電圧を低減させる従来の手法は、基本的なＨＡＬＴ回路設計を適切に変更することを必要としていた。このような手法は、比較的小さい値の故障電流または負荷電流には、対応する誘導サージ電圧が低レベルであるため適切となる可能性がある。比較的大きい値の故障電流または負荷電流では、誘導サージ電圧は対応してより高くなり、したがって、誘導サージ電圧を低減する追加の戦略が有用となり得る。本明細書で開示する本発明の態様は、ＨＡＬＴ回路内の誘導サージ電圧を制御するシステムおよび方法を含む。開示する方法は、スイッチアレイに属する任意の１つ以上の個々のスイッチの開離を適切に分布させることを含む。
【００１８】
図１は、電気システム１００を示し、電気システム１００では、電気装置１０２（負荷）が電磁結合１０４によって保護ＨＡＬＴ回路１０６に結合されている。ＨＡＬＴ回路１０６は、等価回路図１０８によって示され、一般に、電気装置１２６のための保護回路として機能する。電気装置の非限定的な例は、スイッチアレイを含む。個々のスイッチの非限定的な例は、ＭＥＭＳを含む。ＨＡＬＴ回路１０６など保護回路の動作原理は、他で説明されている（例えば、上記で引用した文献を参照されたい）。ＨＡＬＴ回路１０６は、電気装置１２６に見えるようにその等価抵抗ＲＤによって示すダイオードブリッジ１１０を含む。きわめて一般的に、負荷電流ＩＬ（ｔ）は電気装置１２６を流れる。例えば故障状態中のＨＡＬＴ回路１０６の動作は、時間依存電流パルスＩＤ（ｔ）１１４を発し、ＨＡＬＴダイオードブリッジ１１０を順方向バイアスすることを含む。この結果、電気システム１００内に時間依存分路電流ＩＳ（ｔ）１１８を維持する代替の「分路」電流経路１１６が形成される。代替の分路電流経路１１６は、実質的には、電流ＩＤ（ｔ）１１４が流れるのと同じ電磁結合１１３で形成される。（明瞭にするために、電磁結合１１３内の電流に対する２つの寄与、すなわち、ＩＤ（ｔ）１１４とＩＳ（ｔ）１１８を別々に示す。）電気装置１２６は、実際には代替電流経路１１６と並列の時間依存抵抗を含む。抵抗Ｒ（ｔ）Ｓは、実質的には、電子装置１２６の前記時間依存抵抗を含み、参照番号１２０によって示される。さらに、電子装置１２６から見て、ＨＡＬＴ回路のダイオードブリッジ１１０は、漂遊インダクタンスＬＤ１２２を含む。一実施形態では、電子装置１２６は、電流の流れを遮断する手段１２４を含む。
【００１９】
本明細書で論じている電気装置１２６の実施形態は、ＭＥＭＳスイッチアレイを含み、モータ起動装置として動作する。故障状態中、モータ起動装置は、スイッチアレイの個々のスイッチを開離する機能、すなわち、電気装置１２６を流れる電流を遮断する機能を実行する必要がある。同様に、負荷状態中、モータ起動装置は、スイッチアレイの個々のスイッチを閉成する機能、すなわち、電子装置１２６により負荷１０２に電流を流し始めることによって負荷１０２を通電させる機能を実行する必要がある。しかしながら、上述したように、ＨＡＬＴ回路１０６の助けによりスイッチアレイ１２６を開離または閉成するようにして救援したとしても、ＨＡＬＴ回路１０６自身の漂遊インダクタンスが、スイッチアレイ１２６の無アーク動作を妨害する可能性がある。以下に図２〜５に関して論じるように、スイッチアレイ１２６の（より一般的には電気装置の）個々のスイッチの開離時間分布は、スイッチアレイの個々のスイッチが開離する時間窓中の誘導サージ電圧の時間的展開を成形する一つの可能な方法を示す。
【００２０】
故障状態中、電子装置１２６が漸進的に開離すると共に、電気装置１２６の抵抗も対応するように増加することは明らかであろう。電気装置１２６の両端間の電圧が対応して上昇することにより、ＨＡＬＴ回路ダイオードブリッジ１１０の抵抗およびインダクタンスに逆らって、負荷電流ＩＬ（ｔ）１１２がＨＡＬＴ回路ダイオードブリッジ１１０中に流れる。この結果、実質的に、電気装置１２６の両端間に誘導サージ電圧が生じる。
【００２１】
時間依存電流パルスＩＤ（ｔ）１１４が時間依存負荷電流ＩＬ（ｔ）１１２を実質的に超えている時間窓中、代替電流経路１１６が、時間依存負荷電流ＩＬ（ｔ）１１２のための低抵抗分路経路となることは明らかであろう。この時間窓は、電気装置１２６を開離する「機会の時間窓（ｔｉｍｅ  ｗｉｎｄｏｗ  ｏｆ  ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ）」を表す。明瞭にするために、本明細書での考察では、電子装置１２６の非限定的な例として実質的にはスイッチアレイを考える。
【００２２】
図２〜４に関して論じたように、ＨＡＬＴ回路１０６の両端間、例えば、ＨＡＬＴ回路１０６のダイオードブリッジ１１０の両端間に生じる誘導サージ電圧の大きさは、中でも、スイッチアレイ（すなわち、電気装置１２６）の個々のスイッチが前記機会の時間窓中にどのように開離するかに依存することがわかっている。すなわち、スイッチアレイの個々のスイッチの開離時間分布は、電気装置１２６の両端間の誘導サージ電圧の大きさを決定する要因の一つであることがわかっている。スイッチアレイの個々のスイッチの開離時間の分布は、ＨＡＬＴ回路１０６の両端間の誘導サージ電圧の大きさを決定する要因の一つであることもわかっている。さらに、誘導サージ電圧の少なくとも一部が、ＨＡＬＴ回路のダイオードブリッジ１１０の両端間に現れる可能性が高い。
【００２３】
図２は、スイッチアレイの個々のスイッチの開離時間分布に関する３つの代表的な可能性のグラフ２００である。グラフ２００の縦軸２０２に沿って、（横軸２０４に沿って示す）時間の関数として、閉成するスイッチの割合を示す。例えば、縦軸２０２に沿った１の値は、スイッチアレイのすべてのスイッチが閉成することを示し、縦軸２０２に沿ったゼロの値は、スイッチアレイのすべてのスイッチが開離することを示す。明らかに、スイッチアレイの抵抗の時間依存性は、閉成するスイッチの割合に対応する。
【００２４】
スイッチアレイの個々のスイッチの開離時間分布に関する第１の可能性２０６は、スイッチアレイで遭遇するような典型的な状況を表す。すべてのスイッチが実質的に同時に開離する、すなわち、スイッチが開離する第１期間２０８がきわめて短いことは明らかであろう。きわめて一般的に、本明細書での考察では、２０６形式の開離時間分布を「高速」開離時間分布と呼ぶ。図２は、開離時間分布に関する２つの他の可能性２１０および２１４も示す。スイッチアレイの個々のスイッチの開離時間の分布に関する第２の可能性２１０は、スイッチアレイが、個々のスイッチの開離を制御する機構またはシステムと電磁的に通信し、開離が、第１期間２０８より実質的に長い第２期間２１２にわたって実質的に均一に分布する状況を表す。個々のスイッチの開離を制御するシステムの非限定的な例を、図８および９に関して論じる。きわめて一般的に、本明細書での考察では、２１０形式の開離時間分布を「低速」開離時間分布と呼ぶ。スイッチアレイの個々のスイッチの開離時間の分布に関する第３の可能性２１４は、スイッチアレイが個々のスイッチの開離を制御する機構を含み、開離が実質的には時間において段階的に達成され、第３開離期間２１６が、例えば、図２にそれぞれ示したような期間２２２および２２４の２つの状態２１８および２２０を含むような状況である。図２から明らかなように、２つの状態２１８および２２０の各々でのスイッチの開離は、独立に実質的に一様に分布し、状態２１８での開離の速さは、状態２２０での開離の速さより実質的に速い。きわめて一般的に、本明細書での考察では、２１６形式の開離時間分布を「成形」開離時間分布と呼ぶ。
【００２５】
図１に示す電気装置「スイッチアレイ」１２６の異なった開離時間分布に関する誘導サージ電圧の時間依存性を確かめるために、シミュレーションを行った。ＲＤの値を約０．０００１オーム、ＬＤの値を約１０ナノヘンリー、スイッチアレイ抵抗を約０．００１６７オームとした典型的な状態をシミュレーション中に使用した。図３〜５で与えられるシミュレーションの結果を本明細書で論じる。
【００２６】
図３は、２０６形式の「高速」開離時間分布に関して、左の縦軸３０２に沿って、負荷電流３０６の（横軸３０４に沿った）時間変化とＨＡＬＴ回路電流３０８の時間変化とを示すグラフ３００である。右の縦軸３１０に沿って、対応する誘導サージ電圧３１２の時間変化がプロットされている。シミュレーションの目的のため、第１開離期間２０８を典型的に約１マイクロ秒とした。２０６形式の「高速」開離時間分布により、スイッチの電流出力が実質的に急激に移動する一方、誘導サージ電圧「Ｖｓ」の最大値３１４が、現在示している実施形態では約８ボルトである実質的に高い値となることは明らかであろう。比較するため、典型的なＭＥＭＳスイッチの溶融電圧「Ｖｍ」は、典型的には約１ボルトである。第１期間２０８の大部分の間、Ｖｓの値は実質的にＶｍの値を超えるため、したがって、「高速」開離時間分布を使用する場合、相当な数のスイッチが破壊される可能性が高い。
【００２７】
したがって、（例えば、第１開離時間分布２０６により）スイッチアレイ１２６の個々のスイッチを出来る限り急速に開離すると、結果としてＨＡＬＴ回路１０６の漂遊インダクタンスを流れる電流が高速に変化することで、スイッチアレイ１２６の許容し得ない数の個々のスイッチにアーク発生および破壊を生じさせるのに十分な電圧が発生されると考えられる。
【００２８】
図４は、本発明の一実施形態による、２１０形式の「低速」開離時間分布に関して、左の縦軸４０２に沿って負荷電流４０６の（横軸４０４に沿った）時間変化とＨＡＬＴ回路電流４０８の時間変化とを示すグラフ４００である。右の縦軸４１０に沿って、対応する誘導サージ電圧４１２の時間変化がプロットされている。シミュレーションの目的のため、第２開離時間分布２１０を典型的に約７マイクロ秒とした。図３に示す結果と比較すると、２１０形式の「低速」開離時間分布により、スイッチの電流出力が実質的により低速に移動することが明らかであろう。発生する誘導サージ電圧「Ｖｓ」の最大値４１４は、図３に示す最大値３１４より実質的に低いことも明らかであろう。図３に結果を示す実施形態では、誘導サージ電圧の最大値３１４は約８ボルトである。比較するため、典型的なＭＥＭＳスイッチの溶融電圧「Ｖｍ」は、典型的には約１ボルトである。図３に示すデータの場合のように、第２期間２１２の一部の間、Ｖｓの値がＶｍの値を超え、したがって、「低速」開離時間分布を用いた場合、いくつかのスイッチが依然として損傷する可能性が高い。
【００２９】
図３と図４の比較は、誘導サージ電圧３１４の約８ボルトという高い最高値に考えられる理由について洞察を与える。第１開離時間分布２０６は、ＨＡＬＴ回路１０６の電流出力の移動と一致しない可能性が高い。すなわち、スイッチアレイすなわち電気装置１２６の抵抗は、電流が電気装置１２６から移動するより速く増加する。したがって、スイッチアレイ（より一般的には、電気装置１２６）の個々のスイッチの開離時間分布を変更することは、個々のスイッチが損傷することなく耐えることができる電圧のより効率的な使用を行うための可能な方法となり得る。すなわち、スイッチアレイ１２６の開離時間の分布を、スイッチアレイ１２６の電流出力の移動とより一致するように「成形」することによって、誘導サージ電圧の最大値を低減させることが可能となり得る。
【００３０】
上記洞察の結果を説明するために、「成形した」第３の開離時間分布２１４を使用した。図５は、２１４形式の「成形」開離時間分布に関して、左の縦軸５０２に沿って、負荷電流５０６の（横軸５０４に沿った）時間変化とＨＡＬＴ回路電流５０８の時間変化とを示すグラフ５００である。右の縦軸５１０に沿って、対応する誘導サージ電圧５１２の時間変化がプロットされている。シミュレーションの目的のため、スイッチの一部（例えば、１／２のスイッチ）を約０．２マイクロ秒の期間２２２内で開離し、一方、残りのスイッチ（例えば、１／２のスイッチ）を約６．８マイクロ秒の期間２２４内で開離する。２１４形式の「成形」開離時間分布により、スイッチの電流出力の移動は（「高速」第１開離時間分布２０６の場合と比較して）実質的により低速になり、これにより、現在示している実施形態では、誘導サージ電圧「Ｖｍ」の最大値５１４は、約１ボルトより実質的に低くなることは明らかであろう。比較するため、典型的なＭＥＭＳスイッチの溶融電圧「Ｖｍ」は、典型的には約１ボルトである。期間２１２の全体でＶｓの値はＶｍの値より低いため、「成形」開離時間分布２１４を使用する場合、スイッチアレイ１２６の個々のスイッチは破損しない可能性が高い。明らかに、上記した洞察どおり、アレイのスイッチの開離分布を成形することによって、誘導サージ電圧を最小化できることは確かである。
【００３１】
本発明の非限定的な実施形態は、アレイの個々のスイッチの開離を適切な期間にわたって分布させることによって、（例えば、２０６形式の）典型的な先行技術の開離時間分布中では発生する誘導サージ電圧を管理する。当業者は、本発明が、個々のスイッチが開離する期間中に、ＨＡＬＴ回路内の誘導サージ電圧を個々のどのスイッチの溶融電圧の値をも下回る値に低減させるように、スイッチアレイの個々のスイッチの開離時間分布を成形するために使用される任意の方式を含むことを理解するであろう。開離時間分布２０６および２１４は、このような方式の２つの非限定的な例となる。
【００３２】
したがって、図６のフローチャートにより示す本発明の一実施形態によれば、スイッチアレイの両端間、より一般的には（例えば、１２６形式の）電気装置の両端間の誘導サージ電圧を低減させる方法６００が提供される。典型的には、電気装置１２６がスイッチアレイである場合に関して、上述したような先行技術の開離時間分布（例えば、２０６形式の）の使用により結果として生じる誘導サージ電圧は、スイッチアレイを構成するいずれかの個々のスイッチの溶融電圧「Ｖｍ」より高い値に達する可能性がある。例えば、図３に示す誘導サージ電圧の最高値３１４は、約８ボルトである。
【００３３】
ステップ６０２では、方法６００は、スイッチアレイの少なくとも一部から電流の少なくとも一部を離すように誘導するステップを含む。本発明の一実施形態では、電流の前記一部は、（例えば、１０６形式の）ＨＡＬＴ回路を流れる。本発明の一実施形態では、前記ＨＡＬＴ回路は、（例えば、１１０形式の）ダイオードブリッジを含む。前記誘導サージ電圧は、例えば、前記ＨＡＬＴ回路内のダイオードブリッジの両端間に生じる。一実施形態では、方法６００は、前記開離中、前記ＨＡＬＴ回路の両端間の誘導サージ電圧の発生を少なくとも軽減することができる。ステップ６０４では、前記方法は、スイッチアレイの異なった部分を別々に開離させることを含む。本発明の一実施形態では、スイッチアレイの任意の１つ以上の個々のスイッチを、独立したゲート電圧に応答して開状態と閉状態との間で切り替えることができる。方法６００の一実施形態では、スイッチアレイの異なった部分の開離は、時間において実質的に連続的に行われる。このような連続的な時間分布の非限定的な例は、第２の可能性の開離時間分布２１０である。方法６００の一実施形態では、スイッチアレイの異なった部分の開離は、実質的に時間において段階的に行われる。このような連続的な時間分布の非限定的な例は、第３の可能性の開離時間分布２１４である。一実施形態では、方法６００は、前記開離中、スイッチアレイの両端間の誘導サージ電圧を、溶融電圧「Ｖｍ」より実質的に低い値に低減させることができる。
【００３４】
図７のフローチャート７００によって示す本発明の他の実施形態によれば、スイッチアレイの、より一般的には、（例えば、１２６形式の）電気装置の両端間の電気抵抗を変化させる方法が提供される。ステップ７０２では、方法７００は、前記スイッチアレイの異なった部分を別々のゲート電圧で別々に開離させることを含む。
【００３５】
図８の概略図８００によって示す本発明の一実施形態では、電流バイパス回路８０６を含む電気装置８０４の両端間の誘導サージ電圧を低減するシステム８０２が開示される。本発明の一実施形態では、システム８０２と電気装置８０４とは、電磁的通信８１０が可能である。本発明の一実施形態では、電流バイパス回路８０６は、ＨＡＬＴ回路（例えば、１０６形式の）を含む。本発明の一実施形態では、システム８０２は、（例えば、２１４形式の）成形された開離時間分布にしたがって電気装置８０４の異なった部分を別々に開離させることができるサブシステム８０８を含む。電気装置８０４は、きわめて一般的に電磁負荷を表し、当業者は、システム８０２を、より一般的には、任意の好適な電磁負荷の両端間の誘導サージ電圧を低減するため使用できることを認められるであろう。成形された開離時間分布の非限定的な例は、図２に示す第３の可能性の開離時間分布２１４である。誘導サージ電圧は、前記スイッチアレイの前記開離中に生じる可能性がある。一実施形態では、サブシステム８０８は、複数のゲートドライバ８１２を含むことができる。本発明の一実施形態では、複数のゲートドライバ８１２の任意の個々のゲートドライバが、対応するスイッチを開位置と閉位置との間で切り替えるように独立して制御することができる。
【００３６】
図９の概略図９００によって示す本発明の一実施形態によれば、スイッチアレイ９０６の両端間の誘導サージ電圧を低減するシステム９０２が開示される。システム９０２とスイッチアレイ９０６とは、電磁的通信９０４が可能である。前記スイッチアレイは、きわめて一般的に電磁負荷を表し、当業者は、システム９０２を、より一般的には、任意の好適な電磁負荷の両端間の誘導サージ電圧を低減させるために使用できることを認めるであろう。システム９０２は、電流バイパス回路９０３を含む。本発明の一実施形態では、電流バイパス回路９０３は、（例えば、１０６形式の）ＨＡＬＴ回路を含む。本発明の一実施形態では、システム９０２は、信号発生器９１０を含む制御システム９０８を含む。本発明の一実施形態では、制御システム９０８は、信号発生器９１０によって発生される制御信号に応答して、スイッチアレイ９０６の任意の部分９１２を開状態と閉状態との間で独立して切り替えることができる。
【００３７】
本発明の一実施形態では、前記スイッチアレイは密閉容器内に配置される。本発明の一実施形態では、前記密閉容器内の環境は不活性ガスを含む。本発明の一実施形態では、前記密閉容器内の環境は真空を含む。本発明の一実施形態では、前記スイッチアレイは電力装置として機能する。本発明の一実施形態では、前記電力装置はモータ起動装置である。
【００３８】
本発明の態様は、ＭＥＭＳスイッチアレイの作動タイミングを調整し、電流の切り替え（例えば、負荷電流切り替え）中、前記ＭＥＭＳスイッチの少なくともいくつかで発生するおそれがあるサージ電圧（例えば、誘導サージ電圧）を低減する他の技術を提案する。この文脈では、タイミング調整は、前記ＭＥＭＳスイッチアレイを構成する複数のＭＥＭＳスイッチに印加されるゲート信号の時間分布を調整することを指す。この時間分布を、サージ電圧の大きさを減少させるように有利に成形することができる。
【００３９】
スイッチアレイのゲートラインが直列回路内で接続される場合、個々のスイッチの個々のＲＣ時定数の合算によりアレイのゲートラインに沿って固有に形成される一定の時定数が存在することが観測されている。例えば、スイッチの各々のゲートは、スイッチのビームに比例するそれ自身の静電容量値および抵抗値を有する。所与のアレイに関して、この時定数は、一般には一定であり、アレイの種々の物理的特性、例えば、ダイ材料、アレイトポロジ等に基づくことができる。アレイのゲートラインに沿って形成される固有の時定数は、複数のＭＥＭＳスイッチを作動させるために印加されるゲート信号に対する所望の時間分布を満たすには十分ではない可能性があることは明らかであろう。
【００４０】
しかしながら、上記基本概念を理解することにより（例えば、時間変化するゲート信号に対するアレイの固有の時間応答を理解することにより）、アレイのゲート電圧タイミングを調整する比較的簡単でエレガントな技術がもたらされることは明らかであろう。すなわち、単純な回路をゲートラインに電気的に結合し、複数のＭＥＭＳスイッチに印加されるゲート信号の時間分布を適切に調整することができる。このアプローチは、複数のゲートラインと、付随するレイアウトの複雑性とを含まないため、設計者には魅力的なものとなり得る。さらに、このアプローチは、スイッチアレイを構成するスイッチの個々のゲート電圧応答を適合させようとする試みにおいて、各々のスイッチの構造的特徴を個々に適合させる場合に生じるであろう課題を含まない。
【００４１】
図１０は、直列回路内で電気的に接続できる複数の（ゲート回路１００２など）ゲート回路を備えるＭＥＭＳスイッチアレイ１０００の例示的ネットワークモデル表現の回路図である。各々のゲート回路は、ゲート回路の固有のＲＣ（抵抗、コンデンサ）値に基づく個々の時定数を含む。電圧源１００４は、ゲートライン１００６を経てＭＥＭＳスイッチアレイ１０００にゲート信号を印加するように構成されたゲートドライバを示す。本発明の態様によれば、ゲート電圧タイミング調整回路１００８を前記ゲートラインに結合し、複数のＭＥＭＳスイッチに印加されるゲート信号の電圧の時間分布を調整する。
【００４２】
一例示実施形態では、ゲート電圧タイミング調整回路１００８は、ゲート信号に対する前記ＭＥＭＳスイッチアレイの時間的応答に影響を及ぼすように選択された少なくとも１つの受動部品を備えてもよい。回路１００８の一例は、少なくとも１つのコンデンサであってもよい。回路１００８の他の例は、少なくとも１つのコンデンサに結合された少なくとも１つの抵抗（例えば、ＲＣ回路）であってもよい。回路１００８を、チップ上に構成してもよく、またはオフチップ回路としてもよいことは明らかであろう。
【００４３】
図１０では、ゲートライン１００６の一方の端部に接続された回路１００８の端子１０１０が図示されているとしても、回路１００８の端子１０１０を、ゲートラインの２つの端部の間のどこに接続してもよく、または、ゲートラインの２つの端部のどちらに接続してもよいことは明らかであろう。したがって、図１０に示す回路１００８の位置は、例としての意味で解釈すべきであり、限定する意味で解釈すべきではない。
【００４４】
図１１は、並列回路内で互いに結合された複数のＭＥＭＳスイッチ（例えば、ＭＥＭＳスイッチ１０２２）から構成された例示的ＭＥＭＳスイッチアレイ１０２０の回路図である。各々のスイッチは、共通ゲートライン１０２５に結合された個々のゲート１０２４と、（ゲート信号の電圧レベルに応答して）（図１１に示すような）電気的に開の状態から電気的に閉の状態に作動されるビーム１０２６（例えば、カンチレバービーム）とを含む。
【００４５】
一実施形態では、センサ１０２８を結合し、前記ＭＥＭＳスイッチアレイによって切り替えるべき電流のレベルを感知するようにしてもよい。前記ＭＥＭＳスイッチアレイによって切り替えるべき電流の感知されたレベルに基づいて前記アレイに印加されるゲート信号の時間分布を動的に調整するように構成された調整可能回路１０３２に、コントローラ１０３０を結合してもよい。例えば、前記スイッチアレイによって切り替えるべき電流のレベルが比較的大きい場合、前記ゲート信号の時間分布の広がりを比較的大きい静電容量値によって比較的広くするように、動的に調整可能回路１０３２を構成してもよい。逆に、スイッチアレイによって切り替えるべき電流のレベルが比較的小さい場合、前記ゲート信号の時間分布の広がりを比較的小さい静電容量値によって比較的狭くするように、動的に調整可能回路１０３２を構成してもよい。調整可能回路１０３２を、ゲート信号の時間分布に関して２状態構成（例えば、広い広がりまたは狭い広がり）に限定する必要はなく、それはゲート信号の時間分布に関して追加の状態（例えば、中間状態）を調整可能回路１０３２に設けてもよいからであることは明らかであろう。図１２は、本発明の態様から等しく利益を得ることができる、代わりのＭＥＭＳスイッチアレイアーキテクチャの例示実施形態である。本例示実施形態では、ＭＥＭＳスイッチアレイ１２００は、第１接点１２０３と第２接点１２０５との間に並列回路内で配置されたバックトゥバック（直列回路）ビーム（例えば、カンチレバービーム１２０２および１２０４）から構成され、共通ゲートライン１２０６と共通ビームライン１２１０との間のゲート信号（例えば、電位差）によって駆動される複数のスイッチング素子１２０１を備える。本例のスイッチアレイアーキテクチャでは、ゲート電圧タイミング調整を、上述したように、ゲート電圧タイミング調整回路１２０８を結合することによって容易に伝えることもできる。当業者には明らかなように、回路２００８を、ビームライン１２１０とゲートライン１２０６との間に結合してもよい。このような回路によって得られるサージ電圧低減の利益は、ライン１２１０および１２０６に沿った電圧タイミング調整回路１２０８の特定の結合位置には左右されないため、図１２に示すようなタイミング調整回路１２０８の位置は限定する意味で解釈すべきではないことに注意されたい。
【００４６】
図１３は、本発明の態様によって、例示的ゲート電圧タイミング調整回路（例えば、２００ｐＦコンデンサ）に結合された（例えば、１６０のスイッチから構成された）ＭＥＭＳスイッチアレイに印加されるゲート信号のある例示的時間分布の、例示的実施効果を説明するヒストグラムプロットである。前記時間分布を、前記ＭＥＭＳスイッチアレイの個々のスイッチの作動（例えば、開離または閉成）が適切に分布するように構成することができる。図１３のバーの各々は、ある期間にわたって順次に作動される多数のスイッチの個々の分布を図示する。本例では、前記ＭＥＭＳスイッチアレイの全スイッチの作動を、約数マイクロ秒の期間１０５２にわたって分布させてもよい。図１３に示す時間分布を、全数のスイッチのうち比較的多く（ヒストグラムの最初の４つのバー１０５４〜１０５７によって示されるスイッチの数から理解できる）のスイッチが期間１０５２の初期の部分中に作動されるように成形することは、さらに理解されるであろう。本例の時間分布成形は、前記スイッチアレイを通る電流の移動を実質的に辿るように前記スイッチアレイの作動時間の分布を「成形する」ことによって、前記サージ電圧の大きさを効果的に低減させるために役立つ可能性が高い。
【００４７】
本発明の態様を、いくつかの実施形態に関して詳細に説明したが、本発明はこれらなど開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるべきである。むしろ、本発明を、ここまでに記載されていないが本発明の精神および範囲に相応する任意の数の変形形態、変更、代用、または等価の構成を含むように変更することができる。加えて、本発明の種々の実施形態を説明したが、本発明の態様は、説明した実施形態のいくつかのみを含むことができることを理解すべきである。したがって、本発明は、上記記載によって限定されるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００４８】
１００  電気システム
１０２、１２６、８０４  電気装置
１０６  ＨＡＬＴ回路
１０８  等価回路図
１１０  ダイオードブリッジ
１１６  代替電流経路
１２４  電流の流れを遮断する手段
２００、３００、４００、５００  グラフ
２０２  縦軸
２０４、３０４、４０４、５０４  横軸
２０６  第１の開離時間分布
２０８  第１期間
２１０  第２の開離時間分布
２１２  第２期間
２１４  第３の開離時間分布
２１６  第３開離期間
２１８、２２０  状態
２２２、２２４、１０５２  期間
３０２、４０２、５０２  左の縦軸
３０６、４０６、５０６  負荷電流
３０８、４０８、５０８  ＨＡＬＴ回路電流
３１０、４１０、５１０  右の縦軸
３１２、４１２、５１２  誘導サージ電圧
８００、９００  概略図
８０２、９０２  システム
８０６、９０３  電流バイパス回路
８０８  サブシステム
８１０、９０４  電磁的通信
８１２  ゲートドライバ
９０６  スイッチアレイ
９０８  制御システム
９１０  信号発生器
９１２  部分
１０００、１０２０、１２００  ＭＥＭＳスイッチアレイ
１００２  ゲート回路
１００４  電圧源
１００６  ゲートライン
１００８、１２０８  ゲート電圧タイミング調整回路
１０１０  端子
１０２２  ＭＥＭＳスイッチ
１０２４  ゲート
１０２５、１２０６  共通ゲートライン
１０２６  ビーム
１０２８  センサ
１０３０  コントローラ
１０３２  調整可能回路
１２０１  スイッチング素子
１２０２、１２０４  カンチレバービーム
１２０３  第１接点
１２０５  第２接点
１２１０  共通ビームライン
２００８  回路
【図１】
2012238586.tif 000003
【図２】
2012238586.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2012238586.tif 000014
【図１３】
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【外国語明細書】
2012238586000001.pdf