用于静电激励微机电装置的选通电压控制系统和方法 |
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| 申请号 | CN200810002899.5 | 申请日 | 2008-01-11 | 公开(公告)号 | CN101231920B | 公开(公告)日 | 2012-12-26 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | J·I·赖特; K·苏布拉马尼安; W·J·普雷默拉尼; J·N·帕克; C·凯梅尔; L·雀; K·V·S·R·基肖尔; A·D·萨特; X·王; E·K·霍韦尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用于静电激励微机电装置的选通 电压 控制系统和方法。该选通电压控制系统可包括：电耦合到该装置的栅极 端子 (16)的驱动 电路 (10)；以及电耦合到驱动电路的 控制器 (12)，其中该选通电压控制序列可包括第一间隔(T1)，用于把选通电压斜升到一个电压 水 平，以便产生足以使得激励器 加速 通过激励器所横穿的间隙的一部分从而达到相应的激励状态的静电 力 ；以及该选通电压控制序列还可包括第二间隔(T2)，用于把选通电压斜降到足以减小作用于可移动激励器的静电力的水平。这允许减小激励器接合 开关 触点以便建立第一激励状态的力的大小，或者在达到第二激励状态时避免激励器的过冲 位置 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于静电激励微机电系统开关(14)的选通电压控制系统，其中该开关包括能够移动通过间隙的静电响应激励器，用于对应于闭合开关状态和断开开关状态之一来把该开关激励到相应的开关状态，所述选通电压控制系统包括： |
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| 说明书全文 | 用于静电激励微机电装置的选通电压控制系统和方法技术领域背景技术[0002] 在微机电系统(MEMS)装置中提供静电激励是已知的，其中所述微机电系统(MEMS)装置包括响应于这种静电激励的激励器(例如悬臂梁)。例如，在MEMS开关中，通常通过把来自电压源的电压施加在三端装置中的栅极端子和源极端子之间或者四端装置中的栅极端子和栅极接地之间来进行静电激励。该激励电压可以具有从大约3V至大约＞100V的范围，并且通常可以作为阶跃函数或者阶跃函数的可实现近似而被施加。 [0003] 例如，当该阶跃函数电压低(例如0V)时，常开开关会保持断开。当该阶跃函数变高(例如100V)时，该开关会闭合到导通开关状态。对于这种静电激励而言，实施对电压源的控制往往是不复杂的。打个比方来说，这类似于尽可能快地(不踩刹车)加速车辆(例如悬臂梁)，以便到达终点标(例如开关触点)。 [0004] 在开关闭合事件或者开关断开事件期间，这种形式的静电激励(例如阶跃函数)可能会引入不希望有的效应，这也是已知的。例如，在开关闭合事件中，随着悬臂梁接近开关触点，栅极和悬臂之间的间隙逐渐减小，并且导致作用于悬臂上的静电力增大(∝1/间隙的平方)。因此，当悬臂梁接近该触点时，悬臂梁大大加速，并且可能会以相当大的力冲击到该触点(例如高速冲击)。 [0005] 该高速冲击会具有若干后果。首先，在初始高速冲击之后，该梁和/或触点在由激励电压驱动以便建立连续的接触之前会回弹(例如机械振荡或反弹)。该跳动在该梁最终稳定之前会发生一次或多次。解决该高速冲击(以及伴随的)跳动的一些方法通常包括能够影响MEMS装置的结构设计的、麻烦的且高成本的方法，例如改变该梁的物理尺寸和/或材料以便使其更硬、改变开关操作的环境、利用阻尼结构等等。其他方法包括降低激励电压的强度以便降低所施加的静电力(打个比方来说，这可以比作不尽可能快地加速车辆到终点标)。然而，这往往会把开关激励时间增大到不可接受的水平。高速冲击的另一后果是随着时间而快速降低开关触点的性能的倾向。开关在其寿命期间额定执行的操作周期的数量通常受到触点磨损的限制。例如，如果可以减小对碰撞的开关触点的物理冲击量，则会减小或者消除反弹量，并且可以对开关的额定值增加大量的操作周期。 [0006] 类似地，在开关断开事件期间，该悬臂梁往往会越过它的中性(例如正常)断开位置，并且可能会一直振荡到它最终到达该中性位置。该振荡运动可能会在断开事件期间产生变化的隔绝(standoff)电压。振荡运动意味着，即使在MEMS开关已经断开并且已经达到标称额定耐压之后，该开关(例如悬臂位置)也可能在最终稳定在中性位置并且永久地满足耐压的标称值之前瞬时下降到它的额定隔绝电压以下一次或多次。在开关下降到它的额定隔绝电压以下的时刻期间，这可能会导致该耐压相对于源(负载)电压小于所需的介电隔离，并且可能会导致不希望有的电弧放电(电压击穿)状态，或者由于静电吸引而导致的瞬时再闭合。 [0007] 鉴于前述考虑，因此需要一种改进的静电控制。例如，希望提供一种系统和/或技术，用于适当地调节(成形)该栅极激励电压以便减小MEMS装置(例如开关)中的悬臂梁的碰撞冲击(或者减小在开关断开事件期间悬臂梁的振荡运动(例如过冲))，而不会大大减小开关的激励时间。 发明内容[0008] 一般而言，在本发明的一个方面中，本发明提供一种用于静电激励微机电系统(MEMS)开关的选通电压控制系统。该开关可以包括可移动通过间隙的静电响应激励器，用于对应于闭合开关状态和断开开关状态之一来把该开关激励到相应的开关状态。该控制系统包括电耦合到开关的栅极端子以便施加选通电压的驱动电路。该控制系统还包括电耦合到驱动电路的控制器，用于根据选通电压控制序列来控制施加到选通端子的选通电压。该选通电压控制序列可以包括第一间隔，用于把选通电压斜升到一个电压水平，以便产生足以使得激励器加速通过激励器所横穿的间隙的一部分从而达到相应的开关状态的静电力。该选通电压控制序列还可包括第二间隔，用于把选通电压斜降到足以减小作用于可移动激励器的静电力的水平。这允许减小激励器接合开关触点以便建立闭合开关状态的力的大小，或者在达到断开开关状态时避免激励器的过冲位置。 [0009] 在本发明的另一个方面中，本发明提供一种用于静电激励微机电系统(MEMS)装置的选通电压控制系统。该装置可以包括可移动通过间隙的静电响应激励器，用于对应于第一激励状态和第二激励状态之一来把该装置激励到相应的激励状态。该选通电压控制系统可以包括电耦合到该装置的栅极端子以便施加选通电压的驱动电路。该选通电压控制系统还可包括电耦合到驱动电路的控制器，用于根据选通电压控制序列来控制施加到选通端子的选通电压。该选通电压控制序列可以包括第一间隔，用于把选通电压斜升到一个电压水平，以便产生足以使得激励器加速通过激励器所横穿的间隙的一部分从而达到相应的激励状态的静电力。该选通电压控制序列还可包括第二间隔，用于把选通电压斜降到足以减小作用于可移动激励器的静电力的水平。这允许减小激励器接合开关触点以便建立第一激励状态的力的大小，或者在达到第二激励状态时避免激励器的过冲位置。附图说明 [0010] 在下面考虑到附图的描述中对本发明进行解释，所述附图示出： [0011] 图1是可以被配置成根据本发明的多个方面执行MEMS装置的静电激励的选通电压控制系统的示意图。 [0013] 图3是根据本发明的多个方面的选通电压的波形的另一个示例实施例的曲线图。 具体实施方式[0014] 根据本发明的各实施例，在此描述了可以被用来例如对于基于微机电系统(MEMS)开关的开关阵列提供选通电压控制(例如以便满足所期望的开关状态)的结构和/或操作关系。当前，MEMS通常是指微米尺度的结构，该结构例如能够通过微制造技术在同一个衬底上集成多个功能不同的元件，例如机械元件、机电元件、传感器、激励器和电子器件。然而，可以设想到，当前在MEMS装置中可用的许多技术和结构将在仅仅若干年之后通过基于纳米技术的装置可以获得，所述基于纳米技术的装置例如是尺寸上可以小于100纳米的结构。因此，即使在本文献中所述的示例实施例可能是指基于MEMS的装置，但是可以认为，本发明的创造性方面也应当从广义上来解释，而不应当限于微米尺寸的装置。 [0015] 在下面的详细描述中陈述了许多特定细节，以便提供对本发明各种实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将会理解，本发明的各实施例可以在没有这些特定细节的情况下被实行，本发明不限于所述实施例，并且本发明还可以被实行为各种可选实施例。在其他实例中没有详细描述公知的方法、过程和部件。 [0016] 而且，各种操作可以被描述为以有助于理解本发明各实施例的方式而执行的多个离散步骤。然而，描述的顺序不应当被解释为意味着这些操作需要按照它们被给出的顺序来执行，并且它们甚至与顺序无关。此外，重复使用的短语“在一个实施例中”不一定是指同一个实施例，尽管它可能是指同一个实施例。最后，本申请中所使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等等打算是同义的，除非另有说明。 [0017] 本发明的发明人已经创新地认识到用于有选择地调节选通电压以便静电激励微机电系统(MEMS)装置(例如开关)中的可移动激励器(例如悬臂梁类型的激励器)的系统和/或技术。例如，在开关闭合事件期间，根据本发明的多个方面调节选通电压可允许提供对开关触点的减震效应。相反，在开关断开事件期间，根据本发明的多个方面调节选通电压可允许减小悬臂梁的振荡运动(例如过冲位置)。 [0018] 图1是根据本发明的多个方面被配置成执行MEMS开关14的静电激励的选通电压控制系统的示意图，该系统可以包括响应于控制器12的栅极驱动器10。该静电激励可以通过施加合适配置的选通电压来执行，所述选通电压由栅极驱动器10施加在例如三端装置中的栅极端子16和源极端子18(例如悬臂梁)之间或者四端装置中的栅极端子和栅极接地之间。图1说明断开的三端开关状态。一旦可移动梁被激励到闭合状态，则悬臂梁18的至少一段将物理地接触MEMS开关的漏极端子20(例如开关触点)。 [0019] 图2是可以被配置成根据本发明的的多个方面静电激励MEMS开关的选通电压(即垂直轴)的波形的一个示例实施例的曲线图。为了解释说明性的指导原则，该曲线图可沿时间轴(即水平轴)被再分成间隔(例如四个)的序列。将会理解，图2中用图形所描绘的这种示例间隔不打算对本发明的多个方面进行严格分类，因为在实际的实施中，这样的间隔中的任何一个可以被加强(或削弱)到更高或更低的程度，这取决于给定应用的要求。 [0020] 间隔T1：在该初始间隔中，选通电压可以被选为提供快速率的上升电压。这允许把足够的能量赋予悬臂梁，以便获得加速度并且横穿间隙(利用字母g来标记)。在一个示例实施例中，选通电压的幅度(标记为电压V1)可以被选为足够高，只要该幅度保持在避免了间隙电压击穿的值以内。在一个示例实施例中，间隔T1的持续时间可以为几百纳秒的数量级，以便确保提供足够的动量来克服作用于悬臂梁的弹性力。本领域技术人员将会认识到，选通电压的幅度V1可以基于悬臂梁的尺寸(例如质量)和刚度以及在栅极处的间隙来选择。以这种方式，可以与该梁的尺寸成比例地赋予悬臂梁运动。 [0021] 间隔T2：在该示例间隔中，选通电压可以被选为以快得足以允许悬臂梁靠惯性滑行的速率来斜降。该速率可以通过分析来估计(或者用实验来导出)，然后在控制器12中进行编程。将会认识到，如果在时间域中确定悬臂动力学(例如运动)和栅极激励之间的合适关系，则可以估计出作为时间的函数的悬臂在间隙中的位置。 [0022] 间隔T3：一旦到达预定电压(标记为电压V2)，则可以终止选通电压的斜降。电压V2的值可以被选为保持悬臂梁的尖端仅仅略微超出漏极。在一个示例实施例中，在间隔T3的持续时间可以施加该保持电压V2，以使MEMS开关阵列中基本上每个悬臂梁都能够基本上均匀地松弛并且稳定其在间隙中的相应位置仅仅略微超出漏极触点。用于施加保持电压V2的持续时间可以是几个纳秒的数量级，这取决于MEMS开关阵列中的悬臂梁的平均松弛时间。再一次，可以通过分析估计(或者用实验导出)诸如保持电压V2的值和用于施加保持电压V2的持续时间之类的参数，并且在控制器12中进行编程。 [0023] 间隔T4：一旦基本上每个悬臂位置是基本上稳定的状态，例如，被定位成仅仅略微超出开关触点，则选通电压可以被斜升到一个电压值(标记为V3)，以便建立与漏极端子的接触。闭合电压V3的幅度可以基于所期望的接触压力量来选择。 [0024] 可以设想到，由于每个悬臂将会响应于被配置成提供受控的速度和力的选通电压而横穿间隙，则跳动的量将被消除或者被大大减小。此外，通过选择闭合电压V3的适当值，该接触压力可以适合于相对较低的接触电阻状况。 [0025] 上述的电压选通控制包括开环控制，并且可以设想，在操作中将减小构成MEMS开关阵列的多个悬臂梁的闭合时间的变化，同时维持相对较快的激励时间，并且一致地建立适当的接触压力而没有跳动。将会认识到，体现本发明的多个方面的电压选通控制可适于执行闭环控制。例如，可以采用合适的传感器(例如基于电容的传感器、基于隧道电流的传感器等等)来监视悬臂运动(例如位置、速度)，并且该信息可以被提供给控制器来相应地调节选通信号。在一个示例实施例中，预期间隔序列的总激励时间(例如T1+T2+T3+T4)可以是5微秒的数量级。 [0026] 图3是可以被配置成根据本发明的多个方面静电激励MEMS开关的选通电压20的波形的另一个示例实施例的曲线图，该选通电压20被绘制为时间的函数。图3还说明悬臂位置22的曲线图，该悬臂位置22也被绘制为时间的函数。如图3所示，在示例间隔T1中，选通电压可以被选为提供快速率的上升电压到电压水平V1。这允许把足够的能量赋予悬臂梁以便获得加速度。在与开关触点发生碰撞之前的一些预定时间，随着悬臂继续以基本上非加速的方式(例如靠惯性滑行)接近开关触点，选通电压在示例间隔T2期间被斜降(例如关断)。在示例间隔T3，在悬臂梁进行初次接触之后(或者正好在进行这种接触之前)，选通电压将被再次施加以达到保持电压V2，以便维持(或建立)这种初始接触。预期该选通电压控制将类似地避免悬臂梁和开关触点的高速碰撞，这是因为静电力的加速效应会消失(例如通过在T2间隔期间关断栅极电压)，并且将允许开关触点进行相对较软的初始接触，其主要由作用于该梁的惯性力来驱动。然后选通电压将被再次施加以建立强接触，并且将使触点免于在该梁的弹性力下再次断开。在操作中，该技术将类似地使触点免于在冲击下跳动。 [0027] 本领域技术人员将会认识到，作用于悬臂梁的加速力是静电力和弹性力的矢量和。由于弹性力在静止位置为零，所以初始力完全是由栅极电压引起的。然而，静电力是栅源电压(V^2)以及栅极和源极之间的间隙距离(d^2)的倒数的函数。因此，当该梁移动得越来越靠近栅极时，静电力基于平方律关系而增大，但是弹性力线性增大。因此，静电能被输入到弹簧中并且转换成该梁的动能。如上所述，在某一点，该电压减小，并且这允许弹簧吸收该梁的许多动能，例如仅仅在与固定触点(漏极)接触之前几乎停止梁运动。当梁和漏极接触时，所施加的电压可以增加的速率快得足以克服弹性反弹力，并且高得足以保持触点一起处于足够低的电阻。在断开中，随着该梁接近静止位置，所施加的电压需要快速吸收该梁的动能，该动能实际上等于已经存储在弹簧中的能量。这通常被称为把临界阻尼提供给振荡系统，并且在一个示例实施例中，允许大约10％过冲的阻尼可以提供隔绝电压的相对较快的恢复，而没有瞬时减小的间隙。 [0028] 虽然在此已经示出和说明了本发明的各种实施例，但是注意，这些实施例仅仅作为例子被提供。可以进行多种变化、改变和替代而不会脱离在此的本发明的多个方面。因此，打算本发明仅由所附的权利要求书的精神和范围来限定。 [0029] 附图标记列表 [0030] 10 栅极驱动器 [0031] 12 控制器 [0032] 14 MEMS开关 [0033] 16 栅极端子 [0034] 18 源极端子 [0035] 20 选通电压 [0036] 22 悬臂位置 [0037] T1 初始时间间隔 [0038] T2 时间间隔 [0039] T3 时间间隔 [0040] T4 时间间隔 [0041] V1 选通电压 [0042] V2 保持电压 [0043] V3 闭合电压 |
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