JP5275096B2 - 昇圧回路 - Google Patents

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Description

本発明は、電気部品、例えば静電型MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)アクチュエータを駆動するための昇圧回路に関する。
MEMS技術を用いたRF(高周波)−MEMS可変容量やRF−MEMSスイッチに適用される静電型アクチュエータが開発されている。この静電型アクチュエータは、スイッチングスピードが遅いという問題点がある。駆動電圧が20V程度の静電型アクチュエータは、スイッチング時間が20μsec程度と遅い。このため、RF−MEMSの適用範囲が狭められている。
静電型アクチュエータの駆動電圧は、半導体装置内に設けられた昇圧回路により生成される(例えば特許文献1参照)。静電型アクチュエータのスイッチング時間を短縮するには、駆動電圧を高くすればよいことが分かっている。しかし、半導体装置内の昇圧回路で高電圧を生成するには時間がかかる。このため、静電型アクチュエータのスイッチングに要する総時間を短縮することは困難である。また、高い電圧で静電型アクチュエータを駆動した場合、チャージングによるスティクションが増加し、不良が起きやすくなる。したがって、短時間で静電型アクチュエータを駆動するために必要な高電圧を生成でき、チャージングを起きにくくすることが望まれている。
特開2004−112944号公報
本発明は、短時間で必要な高電圧を生成することが可能な昇圧回路を提供しようとするものである。
本発明昇圧回路の態様は、第1、第2の電極を有する複数のキャパシタと、前記複数のキャパシタの第1の電極と第1の電源との間に接続された複数の第1のスイッチと、前記複数のキャパシタの第2の電極と第2の電源との間に接続された複数の第2のスイッチと、前記複数のキャパシタのうち1つのキャパシタの第1の電極と他のキャパシタの第2の電極の間に接続され、前記複数のキャパシタを直列接続する複数の抵抗とを具備し、前記直列接続された複数のキャパシタの最終段からアクチュエータを駆動するための電圧を出力し、前記複数のキャパシタのうち1つキャパシタの容量をC、キャパシタの数をn、前記第1の電源の電圧をVdd、アクチュエータのプルイン電圧をV PI 、アクチュエータのアップステート容量をC UP とした場合、次式
Figure 0005275096
が成立することを特徴とする。
本発明は、短時間で必要な高電圧を生成することが可能な昇圧回路を提供する。
第1の実施形態に係る昇圧回路を概略的に示す構成図。 図1に示す回路を等価的に示す図。 アクチュエータの駆動電圧を示す図。 図3の関係を導くための条件を示す図。 アクチュエータの駆動後の電圧を示す図。 第2の実施形態を示す平面図。 図6に示すVII−VII線に沿った断面図。 第3の実施形態に係る昇圧回路を概略的に示す構成図。 第4の実施形態に係る昇圧回路を概略的に示す構成図。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る昇圧回路11を示している。図1において、複数のキャパシタC1,C2,C3…Cnの第1の電極と第1の電源Vddとの間には複数の第1のスイッチSW1が接続されている。また、複数のキャパシタC2…Cnの第2の電極と第2の電源Vss、例えば接地との間には複数の第2のスイッチSW2が接続されている。隣接するキャパシタの第1の電極と第2の電極の間には抵抗Rがそれぞれ接続されている。このため、複数のキャパシタC1…Cnは、複数の抵抗Rにより直列接続されている。この直列接続された複数のキャパシタの最終段のキャパシタCnの第1の電極から静電型アクチュエータ12の駆動電圧Voutが出力される。
尚、図1において、キャパシタC1には、第2のスイッチSW2を接続していないが、キャパシタC1に第2のスイッチSW2を接続することも可能である。
静電型アクチュエータ12は、例えば絶縁膜12a上に形成された第1の電極12bと、第1の電極12b上に形成された絶縁膜12cと、絶縁膜12cの上方に移動自在に設けられた第2の電極12dと、弾性体12eを有し、例えば第2の電極12dに昇圧回路11の出力電圧Voutが供給される。昇圧回路11と静電型アクチュエータ12は、例えば同一基板上に形成される。
上記複数の抵抗Rの抵抗値は、それぞれ同一であり、例えば第1、第2のスイッチSW1、SW2のオン抵抗より十分大きく設定され、さらに、抵抗Rと抵抗Rを構成する配線の寄生容量により規定される遅延時間が十分小さな値となるように設定される。抵抗Rの抵抗値については、後述する。
上記構成の昇圧回路11は、キャパシタC1…Cnの並列接続と、直列接続を1度だけ切り替えて静電型アクチュータ12を駆動する。すなわち、先ず、第1、第2のスイッチSW1、SW2がオンとされて、キャパシタC1…Cnが並列接続される。この後、第1、第2のスイッチSW1、SW2がオフとされて、キャパシタC1…Cnが複数の抵抗Rにより直列接続される。これにより出力端から瞬時に高電圧を出力できる。このため、高速に静電型アクチュエータ12をスイッチングすることができる。
次に、上記構成の昇圧回路11により、静電型MEMSアクチュエータ12を駆動するための条件について説明する。
第1、第2のスイッチSW1、SW2をオンとして複数のキャパシタC1…Cnを並列接続とした後、第1、第2のスイッチSW1、SW2をオフとして複数のキャパシタC1…Cnを複数の抵抗Rを介して直列接続した状態において、n個のキャパシタC1…Cn全体の等価的な容量をC、生成された高電圧をVとする。各キャパシタC1…Cnの容量値をCとし、寄生容量Cを無視すると、これらの関係は次式のようになる。
=nVdd、C=C/n
このV、Cでアクチュエータを駆動できる条件を考察する。この条件は、容量値Cに電圧Vが蓄積された状態から、スイッチを閉じてアクチュエータを駆動できる条件と等価である。
図2は、図1に示す回路を等価的に示すものである。このように、アクチュエータ12の電極間距離がxのときのアクチュエータ容量をC(x)、寄生容量をCとする。また、kは、ばね定数である。電極間に電位差が無い初期状態においてx=gとなる。式(1)はエネルギー保存の関係を示し、式(2)は電荷保存の関係を示している。式(1)(2)において、抵抗R及びダンピングによるロスは無視している。式(1)、式(2)の保存式を解くと、式(3)を得る。
Figure 0005275096
Figure 0005275096
Figure 0005275096
ここで、C=C/nであるが、nが十分大きければC<<C(x)である。また、x=0とすると、式(3)は、次式(4)となる。
Figure 0005275096
一方、アクチュエータ12の駆動電圧(プルイン電圧)VIPは、式(5)で表させる。
Figure 0005275096
ここで、CUPは、アクチュエータ12がアップステート状態(非駆動時)の容量、εは真空の誘電率、Sは電極の面積である。CUPは、式(6)のように表される。
Figure 0005275096
式(5)を用いて式(4)を変形すると、式(7)となる。
Figure 0005275096
上述したように、V=nVdd、C=C/nの関係を用いて式(7)を変形すると、式(8)となる。
Figure 0005275096
ここで、
C:キャパシタ1つの容量
n:キャパシタの数
Vdd:昇圧回路への供給電圧
PI:アクチュエータのプルイン電圧
UP:アクチュエータのアップステート容量
この式(8)が1度のスイッチングによりアクチュエータ12を駆動するための昇圧回路のC、nの条件である。
図3は、式(3)の関係を図示したものである。図4は、図3の関係を算出するために用いた条件を示している。図3より、アクチュエータ12のばね定数がk=50N/mの場合、V>30Vであれば、スイッチを閉じた後、アクチュエータ12の電極間ギャップをゼロとすることができる。すなわち、アクチュエータ12を駆動できることが分かる。
なお、アクチュエータ12が駆動された後(プルインした後)、アクチュエータ容量C(x)(=C(0))が増加する。このため、チャージシェアによりアクチュエータ12に印加される電圧が減少する。
図5は、チャージシェアによりアクチュエータ12に印加される電圧が減少する様子を示している。これは式(9)に基づくものである。
Figure 0005275096
図5に示すように、例えばC=1pFの場合において、V=50Vでもプルインした後、アクチュエータ12に印加される電圧は、11Vとなる。したがって、本実施形態はチャージングを抑制できる。
次に、上記抵抗Rの抵抗値について説明する。1つの抵抗Rに関して、抵抗値の下限は、2つの要因に基づき決定される。第1の要因は、昇圧回路の段数を減らして効率を向上させることであり、第2の要因は、貫通電流の総量を低減させることである。
第1の要因としての昇圧回路の段数を減らして効率を向上させる場合、1つのキャパシタに印加される電位差ΔVは、第1の電源Vddの値に近いことが好ましい。このため、各スイッチSW1〜SWnのオン抵抗をRSW、抵抗Rの抵抗値をRとすると、各キャパシタに印加される電位差ΔVは、式(10)に示すようになる。
Figure 0005275096
ΔVがVddの90%以上であれば、実用上問題ない。これより抵抗値RとスイッチSWのオン抵抗RSWの関係は、式(11)に示すようになる。
Figure 0005275096
次に、抵抗値の下限を決定する第2の要因としての貫通電流の総量について説明する。抵抗Rの抵抗値が小さ過ぎると、第1の電源Vddと第2の電源Vss間の貫通電流の総量が増加し、電源電圧が降下して回路の誤動作が生じることとなる。このため、昇圧回路の1段当りの貫通電流Ithrは、式(12)に示す値である必要がある。
Figure 0005275096
昇圧回路が誤動作を起こす貫通電流の総量の下限をIlimとすると、n個のキャパシタにより構成された昇圧回路の貫通電流が誤動作を起こさない条件は、式(13)に示すようになる。
Figure 0005275096
これより抵抗値Rの下限は、式(14)に示すようになる。
Figure 0005275096
以上をまとめると、抵抗値Rの下限は、式(15)に示すようになる。
Figure 0005275096
一方、抵抗値Rの上限値は、抵抗Rと寄生容量Cにより決定される時定数RCで規定される。寄生容量Cは、抵抗Rを形成する例えばポリシリコン層により構成された配線の寄生容量である。MEMSの駆動速度は、約10μsであるため、時定数RCがこの1/10以下であれば、実用上問題はない。これより、抵抗値Rの上限値は、式(16)に示すようになる。
Figure 0005275096
具体的には、例えば段数n=20、Vdd=3V、RSW=1000Ω、Ilim=10mA、C=2pFとすると、抵抗値Rの下限値は18kΩ、上限値は500kΩとなる。したがって、抵抗値Rの範囲は、次のようになる。
18kΩ ≦ R ≦ 500kΩ
上記第1の実施形態によれば、複数のキャパシタC1,C2,C3…Cnの第1の電極と第1の電源Vddとの間に複数の第1のスイッチSW1を接続し、複数のキャパシタC1…Cnの第2の電極と第2の電源Vssとの間に複数の第2のスイッチSW2を接続し、隣接するキャパシタの第1の電極と第2の電極の間にそれぞれ抵抗Rを接続している。このため、従来のように、隣接するキャパシタの第1の電極と第2の電極の間にそれぞれMOSトランジスタからなるスイッチを設けた場合のように、MOSトランジスタの閾値電圧による電圧低下の影響を除去することができる。さらに、MOSトランジスタのゲート電極を制御する電圧を生成する必要がない。したがって、回路構成を簡単化することが可能である。
しかも、抵抗値を最適化することにより、RC時定数による遅延を抑制して、高速にアクチュエータの駆動電圧を生成することができる。
また、第1の実施形態は、ディクソン(Dickson)型昇圧回路に比べて、キャパシタに無駄な電荷が蓄積されないため消費電力を低減できる。
(第2の実施形態)
上記第1の実施形態において、第1、第2のスイッチSW1、SW2は、それぞれMOSトランジスタにより構成されている場合について説明した。しかし、これに限定されるものではなく、第1、第2のスイッチSW1、SW2を例えばMEMSスイッチにより構成することも可能である。
図6、図7は、第2の実施形態に適用されるMEMSスイッチの一例を示している。このMEMSスイッチは、図1に示す複数の第1のスイッチSW1を構成している。第2のスイッチSW2を構成するMEMSスイッチも図6、図7と同様の構成とされている。
図6、図7において、絶縁膜21上には複数の導電膜により複数の固定電極22が形成されている。これら固定電極22と離間して絶縁膜21上に導電膜23が形成されている。この導電膜23上に導電膜により形成された可動電極24の一端が固定され、アンカーが形成されている。この可動電極24の他端は、複数の接点25を有している。これら接点25は固定電極22の上方に所定間隔離間して対向されている。また、これら接点25の上には絶縁膜26がそれぞれ形成されている。さらに、複数の固定電極22と導電膜23の間の絶縁膜21上には導電膜により駆動電極27が形成されている。複数の固定電極22は複数のキャパシタC1,C2,C3…Cnに接続され、可動電極24は第1の電源Vddに接続される。
上記構成において、駆動電極27に0Vが印加されている場合、可動電極24は、図6に示す位置にあり、複数の接点25は、固定電極22から離間している。このため、スイッチはオフ状態となっている。
また、駆動電極27に高電圧が印加された場合、可動電極24が駆動電極27に静電的に引き付けられ、複数の接点25が複数の固定電極22に接触される。このため、スイッチはオン状態となる。駆動電極27に対する高電圧の印加を切ると、可動電極24はその弾性により図6に示す位置に復帰する。
第2の実施形態のように、複数の第1、第2のスイッチSW1、SW2をMEMSスイッチにより構成した場合、2つのMEMSスイッチにより構成することができる。しかも、このMEMSスイッチは、直流電源を切り替えるスイッチであるため、接点25と固定電極22とのギャップが狭くてよい。したがって、動作速度を高速化することができる。
さらに、接点25と固定電極22との接触抵抗は、10Ω程度であるため、MOSトランジスタによりスイッチを構成した場合のように、MOSトランジスタの閾値電圧による電圧の低下の影響を抑制できる。したがって、電源電圧を効率良くキャパシタに充電することができる。
また、第2の実施形態の場合、MEMSチップにMOSトランジスタを必要としないため、製造プロセスを簡易化できる。
(第3の実施形態)
図8は、第3の実施形態を示している。第3の実施形態において、複数の第1のスイッチSW1、第2のスイッチSW2は、高耐圧のNチャネルMOS(NMOS)トランジスタにより構成されている。各第1のスイッチSW1を構成するNMOSトランジスタのゲート電極はブースタ31の出力端にそれぞれ接続されている。これらブースタ31には、信号S1、S2…Skが供給されている。これらブースタ31は、同一の回路構成であり、信号S1、S2…Skに応じて、第1の電源Vdd+Vth(NMOSの閾値電圧)を発生する。この電圧は対応するNMOSトランジスタのゲート電極に供給される。
また、第2のスイッチSW2を構成するNMOSトランジスタのゲート電極には、信号S1、S2…Sk−1が供給されている。すなわち、キャパシタC2に接続されているNMOSトランジスタからキャパシタCnに接続されているNMOSトランジスタのゲート電極に対して、順次信号S1、S2…Sk−1が供給されている。
信号S1、S2…Sk−1、Skは、信号Sk、Sk−1…S2、S1の順にハイレベルとなる信号である。このため、先ず、キャパシタCnに接続された第1のスイッチSW1を構成するNMOSトランジスタがオンとされ、次に、キャパシタCnに接続された第2のスイッチSW2を構成するMOSトランジスタと、キャパシタCn−1(図示せぬ)に接続された第1のスイッチSW1を構成するNMOSトランジスタがオンとされ、最後にキャパシタC2に接続された第2のスイッチSWを構成するNMOSトランジスタと、キャパシタC1に接続された第1のスイッチSW1を構成するNMOSトランジスタがオンとされる。
第1、第2のスイッチSW1、SW2を構成するNMOSトランジスタの動作タイミングは、上記信号S1、S2…Sk−1、Skによる制御に限定されるものではなく、第1、第2のスイッチSW1、SW2を構成する全部のNMOSトランジスタを同時にオン、オフさせることも可能である。
上記第3の実施形態によれば、第1、第2のスイッチSW1、SW2を高耐圧のNMOSにより構成し、第1のスイッチSW1を構成するNMOSのゲート電極にブースタ31からVdd+Vthを供給している。このため、第1のスイッチSW1は、第1の電源VddをNMOSの閾値電圧の影響を受けずに各キャパシタC1…Cnに供給することができる。したがって、第3の実施形態の昇圧回路は、高速に高電圧を発生することができる。
(第4の実施形態)
図9は、第4の実施形態を示している。前述したように、静電型アクチュエータ12は、駆動後は、駆動状態を保持するために高い電圧を必要としない。そこで、第4の実施形態は、図1に示す第1の昇圧回路(CP1)11とディクソン型の第2の昇圧回路(CP2)31とを用い、駆動時は第1の昇圧回路11を用いてアクチュエータ12を駆動し、駆動後は、ディクソン型の第2の昇圧回路31により、駆動状態を保持する構成としている。すなわち、例えば第2の昇圧回路31とアクチュエータ12の間にスイッチ32が設けられている。駆動時、スイッチ32はオフとされ、第1の昇圧回路11によりアクチュエータ12が駆動されると、スイッチ32がオンとされる。このため、第2の昇圧回路31がアクチュエータ12に接続される。このとき、第1の昇圧回路11をアクチュエータ12から切り離すことも可能である。尚、トランジスタ33は放電用のトランジスタであり、このトランジスタはスイッチ34を介してアクチュエータ12に接続されている。
上記第4の実施形態によれば、アクチュータ12の駆動時は、図1に示す昇圧回路と同様の構成の第1の昇圧回路11により高速に高電圧を発生してアクチュータ12を駆動し、駆動後は、第1の昇圧回路11より低い電圧を発生する第2の昇圧回路31により駆動状態を保持している。このため、アクチュータ12の駆動後は、消費電極を低減することが可能である。
その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変えない範囲において種々変形可能なことは勿論である。
11…昇圧回路、12…アクチュエータ、C1…Cn…キャパシタ、SW1、SW2…第1、第2のスイッチ、R…抵抗、22…固定電極、24…可動電極、27…駆動電極、31…ブースタ。

Claims (4)

  1. 第1、第2の電極を有する複数のキャパシタと、
    前記複数のキャパシタの第1の電極と第1の電源との間に接続された複数の第1のスイッチと、
    前記複数のキャパシタの第2の電極と第2の電源との間に接続された複数の第2のスイッチと、
    前記複数のキャパシタのうち1つのキャパシタの第1の電極と他のキャパシタの第2の電極の間に接続され、前記複数のキャパシタを直列接続する複数の抵抗と
    を具備し、
    前記直列接続された複数のキャパシタの最終段からアクチュエータを駆動するための電圧を出力し、
    前記複数のキャパシタのうち1つキャパシタの容量をC、キャパシタの数をn、前記第1の電源の電圧をVdd、アクチュエータのプルイン電圧をV PI 、アクチュエータのアップステート容量をC UP とした場合、次式
    Figure 0005275096
    が成立することを特徴とする昇圧回路。
  2. 第1、第2の電極を有する複数のキャパシタと、
    前記複数のキャパシタの第1の電極と第1の電源との間に接続された複数の第1のスイッチと、
    前記複数のキャパシタの第2の電極と第2の電源との間に接続された複数の第2のスイッチと、
    前記複数のキャパシタのうち1つのキャパシタの第1の電極と他のキャパシタの第2の電極の間に接続され、前記複数のキャパシタを直列接続する複数の抵抗と
    を具備し、
    前記直列接続された複数のキャパシタの最終段からアクチュエータを駆動するための電圧を出力し、
    前記複数の抵抗の抵抗値の下限は、それぞれの抵抗値をR、前記第1、第2のスイッチのオン抵抗をR SW とし、第1の電源をVddとし、n個のキャパシタ貫通電流の総量の下限をIlimとした場合、
    Figure 0005275096
    であることを特徴とする昇圧回路。
  3. 第1、第2の電極を有する複数のキャパシタと、
    前記複数のキャパシタの第1の電極と第1の電源との間に接続された複数の第1のスイッチと、
    前記複数のキャパシタの第2の電極と第2の電源との間に接続された複数の第2のスイッチと、
    前記複数のキャパシタのうち1つのキャパシタの第1の電極と他のキャパシタの第2の電極の間に接続され、前記複数のキャパシタを直列接続する複数の抵抗と
    を具備し、
    前記直列接続された複数のキャパシタの最終段からアクチュエータを駆動するための電圧を出力し、
    前記複数の抵抗の抵抗値の上限は、それぞれの抵抗値をR、前記キャパシタの寄生容量をC とした場合、
    Figure 0005275096
    であることを特徴とする昇圧回路。
  4. 第1、第2の電極を有する複数のキャパシタと、
    前記複数のキャパシタの第1の電極と第1の電源との間に接続された複数の第1のスイッチと、
    前記複数のキャパシタの第2の電極と第2の電源との間に接続された複数の第2のスイッチと、
    前記複数のキャパシタのうち1つのキャパシタの第1の電極と他のキャパシタの第2の電極の間に接続され、前記複数のキャパシタを直列接続する複数の抵抗と
    を具備し、
    前記直列接続された複数のキャパシタの最終段からアクチュエータを駆動するための電圧を出力し、
    前記複数の第1のスイッチは、
    絶縁膜上に設けられ前記複数のキャパシタの第1の電極にそれぞれ接続された複数の固定電極と、
    前記第1の電源が供給される第1の端部と、接点としての複数の第2の端部を有し、前記絶縁膜上に前記第1の端部が固定され、前記複数の第2の端部が前記複数の固定電極にそれぞれ対応された可動電極と、
    前記複数の固定電極と前記第1の端部との間に設けられ、前記可動電極を駆動する駆動電極と
    を具備することを特徴とする昇圧回路。
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