(57)【要約】本発明は、一般に、ＭＥＭＳ  ＤＶＣデバイスでのプレート電極またはスイッチング電極を減衰させるための方法および装置に関する。波形コントローラとＭＥＭＳ  ＤＶＣの電極との間に設置された抵抗器が、プレート電極が移動している期間に、電圧を増加させながら、容量が減少する。電圧の増加および容量の減少に起因して、電極から遠ざかるプレート電極の運動に抵抗する静電気力が増加して、プレート電極の運動を減衰させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳデバイスと、波形コントローラと、第１抵抗器とを備えたデバイスであって、
ＭＥＭＳデバイスは、プレート電極と、
第１電極と、
第１電極の上に設けられた第１誘電体層と、
第１電極と対向して設けられた第２電極と、
第２電極の上に設けられた第２誘電体層とを備え、
プレート電極は、第１誘電体層と接触する第１位置、第２誘電体層と接触する第２位置、および第１誘電体層および第２誘電体層の両方から離れた第３位置の間で移動可能であり、
波形コントローラは、第１電極および第２電極に接続され、
第１抵抗器は、第１電極と波形コントローラとの間に接続される、デバイス。
【請求項２】
第２電極と波形コントローラとの間に接続された第２抵抗器をさらに備える請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
（第２抵抗器の抵抗）×（第２電極の容量）は、プレート電極の動的応答時間より大きい請求項２記載のデバイス。
【請求項４】
（第１抵抗器の抵抗）×（第１電極の容量）は、プレート電極の動的応答時間より大きい請求項２記載のデバイス。  
【請求項５】
（第２抵抗器の抵抗）×（第２電極の容量）は、プレート電極の動的応答時間より大きい請求項４記載のデバイス。
【請求項６】
（第１抵抗器の抵抗）×（第１電極の容量）は、プレート電極の動的応答時間より大きい請求項１記載のデバイス。  
【請求項７】
第１電極と、第２電極と、第１電極に近接して設けられた第１位置および第２電極に近接して設けられた第２位置から移動可能であるプレート電極とを備えるＭＥＭＳデバイスを動作させる方法であって、
ＭＥＭＳデバイスの第１電極に印加される電圧をゼロに減少させることと、
第１電極の容量を減少させることと、
第１電極の容量を減少させながら、あるいは第１電極の容量が減少した後、第２電極に電圧を印加することと、
第２電極に印加される電圧を増加させることと、
プレート電極を第１位置から第２位置に移動させることと、
移動中に第２電極の容量を増加させることと、
移動中に第１電極の容量を減少させることと、を含む方法。
【請求項８】
プレート電極は、移動中に振動する請求項７記載の方法。
【請求項９】
プレート電極が第１位置から第２位置に移動する際、振動が減少する請求項８記載の方法。
【請求項１０】
第１電極の容量を減少させる際、第１電極に印加される電圧が増加し、
第１電極に印加される電圧が増加しながら、プレート電極での静電気力が増加する請求項９記載の方法。
【請求項１１】
第１電極の容量を減少させながら、第２電極への電圧の印加が生じ、
第１電極に印加される電圧が増加する請求項７記載の方法。
【請求項１２】
第１電極に印加される電圧が増加しながら、プレート電極での静電気力が増加する請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
第１電極の容量が放電した後、第２電極への電圧の印加が生じ、
第１電極に印加される電圧が増加する請求項７記載の方法。
【請求項１４】
第１電極と、第２電極と、第１電極に近接して設けられた第１位置および第２電極に近接して設けられた第２位置から移動可能であるプレート電極とを備えるＭＥＭＳデバイスを動作させる方法であって、
ＭＥＭＳデバイスの第１電極に印加される電圧をゼロに減少させることと、
第１電極に印加された電圧を、第１抵抗器を経由して放電することと、
第１電極への電圧を放電させながら、あるいは第１電極の容量が減少した後、第２電極に電圧を印加することと、
第２電極の容量を増加させることと、
第１電極の容量を減少させることとを含み、増加および減少は、第２電極に印加される電圧を増加させながら行う、方法。
【請求項１５】
プレート電極は、減少、放電、印加、増加および減少の際、振動する請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
プレート電極が第１位置から第２位置に移動する際、振動が減少する請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
減少および放電の際、第１電極に印加される電圧が増加し、
第１電極に印加される電圧が増加しながら、プレート電極での静電気力が増加する請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
減少および放電の際、第１電極に印加される電圧が増加する請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
第１電極に印加される電圧が増加しながら、プレート電極での静電気力が増加する請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
第１電極の容量が放電した後、第２電極への電圧の印加が生じ、
第１電極に印加される電圧が増加する請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デジタル可変キャパシタ（ＤＶＣ）デバイスでのプレート電極を減衰させるための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＶＣデバイスが静電気力で動作する。この機構では、電圧Ｖがプレートまたはスイッチング電極と制御電極との間に印加された場合、力が可動ＭＥＭＳエレメントに作用する。この静電気力は（Ｖ／ギャップ）２で増減する。機械的対抗力は、スプリング懸架システムから由来し、典型的には変位とともに線形的に増減する。その結果、電圧Ｖが増加するにつれて、ＭＥＭＳデバイスは、制御電極に向かって一定の距離δだけ移動する。この移動は、ギャップを減少させ、続いて静電気力をさらに増加させる。小さな電圧では、初期位置と電極との間に平衡位置が見つかる。しかしながら、電圧が特定の閾値レベル（即ち、プルイン（引き込み）電圧）を超えた場合、デバイス変位は、静電気力が機械的対抗力より速く立ち上がり、デバイスは、接触するまで制御電極に向けて迅速にスナップイン（即ち、移動）するようになる。
【０００３】
幾つかのＤＶＣが、図１に概略的に示すように、可動ＭＥＭＳデバイス（即ち、図１のプレート）の上方に制御電極（即ち、プルアップ（引き上げ）またはプルオフ（引き離し）またはＰＵ電極）、および下方に制御電極（即ち、プルダウン（引き下げ）またはプルイン（引き込み）またはＰＤ電極）を有する。さらに、可動ＭＥＭＳデバイスの下方にＲＦ電極が存在する。動作の際、ＭＥＭＳデバイスは、引き上げまたは引き下げられて接触し、ＲＦ電極に対して安定した最小容量または最大容量を提供する。こうして可動デバイスからＲＦ電極（可動デバイスの下方に位置する）までの容量が、図２に示すように下部に引かれた場合の高容量Ｃｍａｘから、図３に示すように上部に引かれた場合の低容量Ｃｍｉｎまで変化できる。
【０００４】
ＰＤ電極に印加される電圧（Ｖｂｏｔｔｏｍ）およびＰＵ電極に印加される電圧（Ｖｔｏｐ）は、図４に示すように、典型的には波形コントローラによって制御され、ＤＶＣデバイスの長寿命で安定した性能を確保している。可動エレメントは、典型的にはＤＣ接地されている。可変キャパシタ（即ち、Ｃｐｄ，Ｃｐｕ）は、ＭＥＭＳ  ＤＶＣデバイスのプルダウン電極およびプルアップ電極の容量をそれぞれ表す。
【０００５】
図５は、Ｃｍａｘ状態からＣｍｉｎ状態へ切り替わる際の制御電圧およびＭＥＭＳ動的応答を示す。ＭＥＭＳ  ＤＶＣデバイスは、制御電圧Ｖｂｏｔｔｏｍ＝ＨＶおよびＶｔｏｐ＝０Ｖによって、最初に下部に着地している。ｔ＝ｔ０において、下部電圧が解除され（Ｖｂｏｔｔｏｍ＝０Ｖ）、上部電極Ｖｔｏｐが０からＨＶにゆっくり上昇する。デバイスが、下部電極から解放されるとすぐに、自由に振動しつつ、上部制御電圧が上昇する。振動が消滅する速度は、ＭＥＭＳデバイスのＱ値に依存し、これは空洞内の圧力（スクイズ膜ダンピング）およびＭＥＭＳデバイス自体の内部損失に関係する。デバイスは、電圧が必要なプルイン電圧レベルに到達した場合、ｔ＝ｔ１において上部電極に引き込む。電圧は、上昇し続けて、ｔ＝ｔ２においてその最終値に到達する。制御電圧の上昇レートが増加した場合、図６に示すように、ＭＥＭＳデバイスは、他の状態により高速に切り替わることになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この場合、ＭＥＭＳエレメントは、プル電極に衝突するが、自由運動ＭＥＭＳエレメントの過渡的振動は消滅せず、衝撃の実際の時間に応じてコンタクト表面にかなりの速度で衝突し、そのためコンタクト界面は、構造的損傷を受けて、早期の寿命故障をもたらす。
【０００７】
従って、ＭＥＭＳ  ＤＶＣデバイスのプレート電極が、状態遷移の際により少ない共鳴／振動を有する、ＭＥＭＳ  ＤＶＣデバイスについて先行技術でのニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、一般に、ＭＥＭＳ  ＤＶＣデバイスでのプレート電極またはスイッチング電極を減衰させるための方法および装置に関する。波形コントローラとＭＥＭＳ  ＤＶＣの電極との間に設置された抵抗器が、プレート電極が移動している期間に、電圧を増加させながら、容量が減少する。電圧の増加および容量の減少に起因して、電極から遠ざかるプレート電極の運動に抵抗する静電気力が増加して、プレート電極の運動を減衰させる。
【０００９】
一実施形態において、装置が、ＭＥＭＳデバイスと、波形コントローラと、第１抵抗器とを備える。ＭＥＭＳデバイスは、プレート電極と、第１電極と、第１電極の上に設けられた第１誘電体層と、第１電極と対向して設けられた第２電極と、第２電極の上に設けられた第２誘電体層とを備え、プレート電極は、第１誘電体層と接触する第１位置、第２誘電体層と接触する第２位置、および第１誘電体層および第２誘電体層の両方から離れた第３位置の間で移動可能である。波形コントローラは、第１電極および第２電極に接続される。第１抵抗器は、第１電極と波形コントローラとの間に接続される。
【００１０】
他の実施形態において、ＭＥＭＳデバイスを動作させる方法が、ＭＥＭＳデバイスの第１電極に印加される電圧をゼロに減少させることを含み、ＭＥＭＳデバイスは、第１電極と、第２電極と、第１電極に近接した設けられた第１位置および第２電極に近接した設けられた第２位置から移動可能であるプレート電極とを備える。該方法はまた、第１電極の容量を減少させることと、第１電極の容量を減少させながら、第２電極に電圧を印加することと、第２電極に印加される電圧を増加させることと、プレート電極を第１位置から第２位置に移動させることと、移動中に第２電極の容量を増加させることと、移動中に第１電極の容量を減少させることとを含む。
【００１１】
他の実施形態において、ＭＥＭＳデバイスを動作させる方法が、ＭＥＭＳデバイスの第１電極に印加される電圧をゼロに減少させることを含み、ＭＥＭＳデバイスは、第１電極と、第２電極と、第１電極に近接した設けられた第１位置および第２電極に近接した設けられた第２位置から移動可能であるプレート電極とを備える。該方法はまた、第１電極に印加された電圧を、第１抵抗器を経由して放電することと、第２電極に電圧を印加しつつ、該電圧を放電することと、第２電極の容量を増加させることと、第１電極の容量を減少させることとを含み、増加および減少は、第２電極に印加される電圧を増加させながら行う。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明の上記特徴が詳細に理解できるような方法で、上記のように短く要約した本発明についてのより詳細な説明が実施形態を参照して行われ、その幾つかを添付図面に図示している。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態だけを図示しており、よってその範囲の限定と考えるべきでなく、本発明は他の等しく有効な実施形態を認めていることに留意すべきである。
【００１３】
【図１】独立状態でのＭＥＭＳ  ＤＶＣの概略断面図である。
【図２】Ｃｍａｘ状態での図１のＭＥＭＳ  ＤＶＣの概略断面図である。
【図３】Ｃｍｉｎ状態での図１のＭＥＭＳ  ＤＶＣの概略断面図である。
【図４】ＭＥＭＳ  ＤＶＣデバイスを駆動する波形コントローラの概略図である。
【図５】Ｃｍａｘ状態からＣｍｉｎ状態へ切り替わる場合、ＭＥＭＳ  ＤＶＣデバイスの動的挙動を説明するグラフを示す。
【図６】図５のものより速い速度でＣｍａｘ状態からＣｍｉｎ状態へ切り替わる場合、動的挙動を説明するグラフを示す。
【図７】一実施形態に従って、ＭＥＭＳ  ＤＶＣと接続された波形コントローラの概略図である。
【図８】静電気減衰を備えたＭＥＭＳ  ＤＶＣのプルインを説明するグラフを示す。
【図９】図８に例示したものより速いプルインが生じた場合、静電気減衰を備えたＭＥＭＳ  ＤＶＣのプルインを説明するグラフを示す。
【図１０】静電気減衰の有無についてＭＥＭＳ  ＤＶＣの衝撃速度の比較を説明するグラフを示す。
【００１４】
理解を促進するために、図面に共通した同一の要素を指定するために、可能であれば、同一の参照符号を使用している。一実施形態に開示された要素が、特別の記載なしで他の実施形態に有益に利用できることが想定される。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、一般に、ＭＥＭＳ  ＤＶＣデバイスでのプレート電極またはスイッチングエレメントを減衰させるための方法および装置に関する。波形コントローラとＭＥＭＳ  ＤＶＣの電極との間に設置された抵抗器が、プレート電極が移動している期間に、電圧を増加させながら、容量が減少する。電圧の増加および容量の減少に起因して、電極から遠ざかるプレート電極の運動に抵抗する静電気力が増加して、プレート電極の運動を減衰させる。
【００１６】
ここで説明するように、方法および手法は、静電気力を用いて自己完結的にＭＥＭＳデバイスの減衰を減少させる。ここで説明する方法およびデバイスは、ＭＥＭＳデバイスの減衰を増加させて、状態遷移中のＭＥＭＳエレメントの過渡的挙動がより速く消滅することを確保している。このことは、制御電圧の上昇レートを増加させることが可能になり、より高速なスイッチング時間を導く。さらに、着地時の衝撃速度が減少して、増加したＭＥＭＳ寿命性能をもたらす。
【００１７】
プレート電極が移動すると、プレート電極と制御電極（即ち、プルアップ電極またはプルダウン電極）との間の容量が変調される。その結果、制御キャパシタを流れる電流は、下記の式によって与えられる。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
こうして、ｄＣ／ｄｔに比例（即ち、プレート電極の速度に比例）したキャパシタを流れる電流の成分がある。制御キャパシタと直列に抵抗器を追加することによって（図７参照）、電流は、電圧（ＶｐｕまたはＶｐｄ）に変換でき、プレート電極に作用する静電気力を提供するようになる。
【００２０】
静電気力は、減衰の手段（静電気減衰）を提供する。これは、図８に説明しており、ｔ＝ｔ０において、下部制御電圧はＶｂｏｔｔｏｍ＝０に設定される。しかしながら、実際の容量での電圧Ｖｐｄは、直ちに０に降下せず、理由は、ＣｂｏｔｔｏｍがＲｐｄを経由して放電される必要があるためである。電圧が降下すると、ＭＥＭＳエレメントを保持する静電気力は減少する。ｔ＝ｔ１において、静電気力は機械的復元力より低く、ＭＥＭＳエレメントは、下部から解放される。
【００２１】
容量は、素早く減少し、抵抗が充分に大きく、Ｒｐｄ×Ｃｐｄがプレート電極の実際の動的応答時間より大きい場合、Ｃｐｄに追加されたり除去される電荷が無い（即ち、Ｃｐｄでの全体電荷Ｑｐｄが一定のままである）。Ｑｐｄ＝Ｃｐｄ×Ｖｐｄであるため、Ｃｐｄが減少すると、Ｖｐｄが増加する。Ｖｐｄの増加は、静電気力の増加を提供し、これは電極から遠ざかるプレート電極の移動に抵抗する。最終結果は、プレート電極が制御電極から遠くへ移動する際に、デバイスの動きが減衰され、このことは高速上昇（図９参照）の使用を容易にする。
【００２２】
静電気減衰法の第２の利点が、プレート電極が制御電極を覆う誘電体層に衝突する際、図１０に示すように、減少した衝撃速度である。抵抗器を追加した場合、キャパシタ値の突然の増加に起因してデバイスが折れる(snap)と、キャパシタでの電圧が降下する（Ｃ×Ｖ＝一定）。その結果、プレート電極を引いて接触させる静電気力が小さくなり、減少した衝撃速度が得られる。
【００２３】
上記記載は、本発明の実施形態に関するものであるが、本発明の他のおよび追加の実施形態が、その基本的範囲から逸脱することなく考案でき、その範囲は後記の請求項によって決定される。
【図１】
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【図２】
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【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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【手続補正書】
【提出日】平成28年1月19日(2016.1.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳデバイスと、波形コントローラと、制御キャパシタと、第１抵抗器とを備えたデバイスであって、
ＭＥＭＳデバイスは、プレート電極と、
第１電極と、
第１電極の上に設けられた第１誘電体層と、
第１電極と対向して設けられた第２電極と、
第２電極の上に設けられた第２誘電体層とを備え、
プレート電極は、第１誘電体層と接触する第１位置、第２誘電体層と接触する第２位置、および第１誘電体層および第２誘電体層の両方から離れた第３位置の間で移動可能であり、
制御キャパシタは、第１電極と接続され、
第１抵抗器は、制御キャパシタと波形コントローラとの間に接続され、該抵抗器は、制御キャパシタと直列接続されている、デバイス。
【請求項２】
第２電極と波形コントローラとの間に接続された第２抵抗器をさらに備える請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
（第２抵抗器の抵抗）×（第２電極の容量）は、プレート電極の動的応答時間より大きい請求項２記載のデバイス。
【請求項４】
（第１抵抗器の抵抗）×（第１電極の容量）は、プレート電極の動的応答時間より大きい請求項２記載のデバイス。  
【請求項５】
（第２抵抗器の抵抗）×（第２電極の容量）は、プレート電極の動的応答時間より大きい請求項４記載のデバイス。
【請求項６】
（第１抵抗器の抵抗）×（第１電極の容量）は、プレート電極の動的応答時間より大きい請求項１記載のデバイス。  
【請求項７】
上に第１誘電体層を有する第１電極と、上に設けられた第２誘電体層を有する第２電極と、第１誘電体層と接触する第１位置および第２誘電体層と接触する第２位置から移動可能であるプレート電極とを備えるＭＥＭＳデバイスを動作させる方法であって、
ＭＥＭＳデバイスの第１電極に印加される電圧をゼロに減少させることと、
第１電極の容量を減少させることと、
第１電極の容量を減少させながら、第２電極に電圧を印加することと、
第２電極に印加される電圧を増加させることと、
プレート電極を第１位置から第２位置に移動させることと、
移動中に第２電極の容量を増加させることと、
移動中に第１電極の容量を減少させることと、を含む方法。
【請求項８】
プレート電極は、移動中に振動する請求項７記載の方法。
【請求項９】
プレート電極が第１位置から第２位置に移動する際、振動が減少する請求項８記載の方法。
【請求項１０】
第１電極の容量を減少させる際、第１電極に印加される電圧が増加し、
第１電極に印加される電圧が増加しながら、プレート電極での静電気力が増加する請求項９記載の方法。
【請求項１１】
第１電極の容量を減少させながら、第２電極への電圧の印加が生じ、
第１電極に印加される電圧が増加する請求項７記載の方法。
【請求項１２】
第１電極に印加される電圧が増加しながら、プレート電極での静電気力が増加する請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
第１電極の容量が放電した後、第２電極への電圧の印加が生じ、
第１電極に印加される電圧が増加する請求項７記載の方法。
【請求項１４】
第１電極に印加される電圧を減少させることと、
第１電極に印加された電圧を、第１抵抗器を経由して放電することと、
第１電極への電圧を放電させながら、第２電極に電圧を印加することと、
第２電極の容量を増加させることと、
第１電極の容量を減少させることとを含み、増加および減少は、第２電極に印加される電圧を増加させながら行う、請求項７記載の方法。
【請求項１５】
プレート電極は、減少、放電、印加、増加および減少の際、振動する請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
プレート電極が第１位置から第２位置に移動する際、振動が減少する請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
減少および放電の際、第１電極に印加される電圧が増加し、
第１電極に印加される電圧が増加しながら、プレート電極での静電気力が増加する請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
減少および放電の際、第１電極に印加される電圧が増加する請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
第１電極に印加される電圧が増加しながら、プレート電極での静電気力が増加する請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
第１電極の容量が放電した後、第２電極への電圧の印加が生じ、
第１電極に印加される電圧が増加する請求項１４記載の方法。
【国際調査報告】
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