孫俊峰,朱 健,李智群,郁元衛(wèi),錢可強(qiáng)

(1.南京電子器件研究所,南京 210016;2.東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所,南京 210096;3.微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210016;4.東南大學(xué)集成電路學(xué)院,南京 210096)

一種MEMS開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)*

孫俊峰1,2*,朱 健1,3,李智群2,4,郁元衛(wèi)1,3,錢可強(qiáng)1

(1.南京電子器件研究所,南京 210016;2.東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所,南京 210096;3.微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210016;4.東南大學(xué)集成電路學(xué)院,南京 210096)

靜電驅(qū)動(dòng)MEMS開關(guān)可靠工作需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓,大多數(shù)射頻前端系統(tǒng)很難直接提供,因此需要一種實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和控制的專用芯片,以滿足MEMS開關(guān)的實(shí)用化需要?；?00 V SOI CMOS工藝設(shè)計(jì)的高升壓倍數(shù)MEMS開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路,采用低擊穿電壓的Cockcroft-Walton電荷泵結(jié)構(gòu),結(jié)合特有的Trench工藝使電路的性能大大提高。仿真結(jié)果顯示驅(qū)動(dòng)電路在5 V電源電壓、0.2 pF電容和1 GΩ電阻并聯(lián)負(fù)載下,輸出電壓達(dá)到82.7 V,滿足大多數(shù)MEMS開關(guān)對(duì)高驅(qū)動(dòng)電壓的需要。

電荷泵;MEMS開關(guān);升壓倍數(shù);SOI;Trench工藝

近年來,微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)研究得到了迅猛的發(fā)展。作為MEMS的重要分支之一,RF MEMS研究也取得了顯著成果。其中RF MEMS開關(guān)因具有高線性度、高隔離度、低插入損耗的突出優(yōu)點(diǎn),在測試和通訊系統(tǒng)中極具應(yīng)用價(jià)值[1-5]。RF MEMS開關(guān)的驅(qū)動(dòng)通常包括熱驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)等形式,靜電驅(qū)動(dòng)因具有功耗低、響應(yīng)速度快、易集成的特點(diǎn),在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中最具潛力[5-6]。但靜電驅(qū)動(dòng)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓較高,目前文獻(xiàn)記載開關(guān)可靠工作的電壓通常需要30 V～90 V[5]。這對(duì)向低功耗低工作電壓方向發(fā)展的電路系統(tǒng)是個(gè)挑戰(zhàn),系統(tǒng)往往無法直接提供如此高的驅(qū)動(dòng)電壓,設(shè)計(jì)一種CMOS高壓驅(qū)動(dòng)電路無疑是解決該問題的關(guān)鍵之一。目前基于電荷泵實(shí)現(xiàn)的CMOS驅(qū)動(dòng)電路具有低功耗易集成的特點(diǎn),但通常電荷泵實(shí)現(xiàn)的升壓倍數(shù)只有幾倍[7-10]。對(duì)于要求低輸入電壓、高輸出電壓的MEMS開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路,升壓倍數(shù)往往要達(dá)到十幾倍,實(shí)現(xiàn)如此高升壓倍數(shù)的電路鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。相對(duì)而言,低升壓倍數(shù)的電荷泵比較容易實(shí)現(xiàn),隨著升壓倍數(shù)的提高,電荷泵的級(jí)數(shù)增加,電路寄生效應(yīng)影響加劇,繼續(xù)增加電荷泵的級(jí)數(shù)最終無法實(shí)現(xiàn)升壓倍數(shù)提高,反而會(huì)使其下降[11]。因此必須改進(jìn)電路,減小寄生效應(yīng)影響,實(shí)現(xiàn)升壓倍數(shù)持續(xù)提高。但升壓倍數(shù)的增加,電路中各器件的電壓擊穿也成為問題,這些都是高升壓倍數(shù)電荷泵電路設(shè)計(jì)所面臨的難點(diǎn)。本文基于200 V SOI高壓CMOS工藝設(shè)計(jì)的MEMS開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)5V輸入、80V以上輸出的升壓能力。采用特有的Trench工藝,容許MOS器件具有不同襯底偏置電壓。同時(shí)利用Trench工藝、SOI片的高阻載片以及版圖優(yōu)化等方法實(shí)現(xiàn)電路的寄生效應(yīng)最小。結(jié)合calibre和maxwell軟件提取寄生參數(shù),在cadence軟件下進(jìn)行后仿,結(jié)果顯示電路的輸出電壓達(dá)到82.7 V。

1 工藝實(shí)現(xiàn)

電路采用SOI 200 V CMOS 工藝實(shí)現(xiàn),該工藝的器件分低壓和高壓兩種,其中5 V低壓器件包括PIP電容、電阻、PMOS管和NMOS管。200 V高壓器件包括PMOS管和NMOS管,該兩種高壓管又分別分為柵壓5 V和200 V的高壓管。工藝的特點(diǎn)是采用SOI片為襯底,SOI片的載片電阻率>6 000 Ω·cm,另外特有的Trench工藝,實(shí)現(xiàn)器件層中各MOS管襯底完全相互隔離,結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。其中Trench結(jié)構(gòu)工藝采用電感耦合等離子體(ICP)設(shè)備刻蝕器件層的硅至二氧化硅層,形成具有一定平面圖形的淺槽,再采用以二氧化硅為主要成分的絕緣介質(zhì)填充淺槽,平坦化絕緣介質(zhì),最終形成該Trench結(jié)構(gòu)。通過封閉的環(huán)狀Trench結(jié)構(gòu)與SOI片的二氧化硅層結(jié)合,使環(huán)內(nèi)MOS管襯底被完全包裹,與周圍襯底電學(xué)隔離,該MOS管襯底從而可以設(shè)置獨(dú)立的偏置電壓。與傳統(tǒng)井隔離技術(shù)相比,其寄生電容大大減小,襯底偏置電壓設(shè)置范圍也明顯增大,只要低于隔離介質(zhì)的擊穿電壓即可。

圖1 SOI CMOS結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 驅(qū)動(dòng)電路工作原理圖

2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文的CMOS驅(qū)動(dòng)電路工作原理如圖2所示,整個(gè)電路采用開環(huán)控制。振蕩器輸出差分振蕩信號(hào)給緩沖器,緩沖器把信號(hào)轉(zhuǎn)化成差分方波信號(hào),輸出給電荷泵,電荷泵在差分信號(hào)的作用下升壓,產(chǎn)生的高壓提供給輸出控制器,輸出控制器根據(jù)控制信號(hào),輸出MEMS開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS開關(guān)的控制。

2.1 振蕩器

振蕩器的作用是產(chǎn)生差分振蕩信號(hào),輸出給緩沖器,結(jié)構(gòu)如圖3所示。振蕩器由兩組三級(jí)級(jí)聯(lián)的反相器構(gòu)成,中間4個(gè)反相器起耦合作用,保證輸出差分振蕩信號(hào)。該結(jié)構(gòu)的振蕩器具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡單優(yōu)點(diǎn)。振蕩頻率調(diào)節(jié)可通過調(diào)節(jié)反相器中MOS管尺寸和反相器的級(jí)數(shù)實(shí)現(xiàn),本文設(shè)計(jì)的振蕩器頻率約為3 MHz。

圖3 振蕩器和緩沖器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 緩沖器

緩沖器用于把來自振蕩器的差分振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分方波信號(hào)。如圖3所示,緩沖器分成兩個(gè)獨(dú)立子單元,分別把差分振蕩信號(hào)經(jīng)過三級(jí)反相器轉(zhuǎn)化成差分方波信號(hào),輸出給電荷泵。由于輸出方波直接驅(qū)動(dòng)電荷泵,容性負(fù)載較大,所以緩沖器要求具有較大的驅(qū)動(dòng)能力。

圖4 電荷泵子單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 電荷泵

電荷泵是整個(gè)電路的核心部分,它實(shí)現(xiàn)低壓向高壓轉(zhuǎn)換,決定整個(gè)電路的性能。圖4所示是電荷泵子單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu),并給出每個(gè)管子襯底偏置的連接。整個(gè)電荷泵由25個(gè)這樣的子單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成,電荷泵整體電路如圖5所示。得益于工藝中的隔離技術(shù),每個(gè)MOS管襯底可以設(shè)置不同偏置電壓,保證電路正常工作。電路工作原理如下,當(dāng)input1端口電壓高,input2端口電壓低時(shí),PMOS管MP1和NMOS管Mn2開啟,PMOS管MP2和NMOS管Mn1關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)input1端口對(duì)電容C2充電,同理,當(dāng)input1端口電壓低,input2端口電壓高時(shí),實(shí)現(xiàn)input2端口對(duì)電容C1充電。當(dāng)電荷泵子單元級(jí)聯(lián)時(shí),即可實(shí)現(xiàn)前一級(jí)電容對(duì)后一級(jí)電容的交替充電,電荷泵逐級(jí)升壓。由于內(nèi)部電壓是差分信號(hào),輸出端采用圖5的輸出結(jié)構(gòu)使差分輸入轉(zhuǎn)為單端輸出,提高了電荷泵輸出穩(wěn)定性和帶負(fù)載能力。忽略寄生效應(yīng),電荷泵輸出的電壓值如式(1)所示[12]。

(1)

式中:N是電荷泵級(jí)數(shù);VDD為電源電壓;Iout為電荷泵輸出電流;Cn為第n級(jí)電荷泵子單元中電容值;f為工作頻率。

圖5 電荷泵原理圖

圖7 驅(qū)動(dòng)電路整體版圖

該電荷泵結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是每個(gè)電容極板間電壓在任意周期內(nèi)不超過電源電壓,保證了每級(jí)電荷泵不管電壓升高到多少,電容極板間電壓都小于其最大擊穿電壓。較低電容極板間電壓帶來的另外好處是,可選擇單位面積容值較大的電容,所以設(shè)計(jì)中全部采用5 V低壓PIP電容。

2.4 輸出控制器

輸出控制器的作用是按照CTR端口的輸入信號(hào)(0或5 V),控制V_out端口電壓輸出,結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 輸出控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6中,C為高壓輸入端,CTR為低壓控制端,V_out為高壓輸出端。8個(gè)MOS管都為高壓管,Mp1、Mp2、Mp3、Mp4為柵壓200 V的高壓PMOS管,Mn1、Mn2、Mn3、Mn4為柵壓5 V的高壓NMOS管,借助CTR端輸入的低壓信號(hào)對(duì)Mn2和Mn3的漏極電壓進(jìn)行控制,使它們在高電壓(C端口提供的電壓)和零電壓之間切換,同時(shí)分別鏡像漏極電壓到V′和V_out端,以實(shí)現(xiàn)CTR端口信號(hào)對(duì)輸出端電壓的控制。當(dāng)CTR端口的輸入電壓信號(hào)為0 V時(shí),V_out端口通過Mn4管接地,當(dāng)CTR端口的輸入電壓為5 V時(shí),C端口的高壓通過Mp4管輸出到V_out端口。該電路特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)低電平對(duì)高電平的控制,且輸出端不直接與內(nèi)部MOS管柵極相連,減小來自端口的靜電擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

3 版圖設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路整體版圖布局如圖7所示,電荷泵中所有MOS管采用Trench工藝隔離,保證每個(gè)管子襯底可以具有獨(dú)立的偏置電壓。所有電荷泵子單元中C1、Mp1和Mn1放置在一側(cè),C2、Mp2和Mn2對(duì)稱放置在另一側(cè),分別采用大Trench環(huán)包圍,使同相信號(hào)的器件放置在相同的大Trench環(huán)內(nèi)。利用Trench工藝的二氧化硅絕緣性和載片的高阻特性,顯著減小電路中差分信號(hào)間的耦合,電路的效率大大提高。后仿結(jié)果顯示,相同負(fù)載下電荷泵輸出電壓從原先40 V以下,最后提升到80 V以上。整個(gè)電路版圖有6個(gè)焊盤,VDD為芯片電源端口,GND為芯片接地端口。具有ESD保護(hù)的CTR端口用于外界控制信號(hào)輸入,控制V_out端口的輸出電壓。VT和EX_CP端口用于測試電荷泵產(chǎn)生的高電壓。因?yàn)殡娐穾ж?fù)載能力較差,電壓測試儀器無法直接從端口V_out獲得電壓值,需從內(nèi)部設(shè)計(jì)的專用測試電路得到。整個(gè)芯片面積約2 mm2,電容占據(jù)整體版圖面積80%以上。

圖9 電源電壓5 V、負(fù)載為0.2 pF電容和1 GΩ電阻并聯(lián)、電容typical工藝角下電路輸出電壓的瞬態(tài)仿真結(jié)果

4 仿真結(jié)果

理論分析和仿真發(fā)現(xiàn)電荷泵電路對(duì)寄生電容非常敏感,SOI片的載片改成高阻并運(yùn)用Trench工藝和版圖優(yōu)化設(shè)計(jì)等技術(shù)明顯降低了電路寄生電容。采用maxwell和calibre仿真工具提取電路寄生參數(shù),在cadence軟件下進(jìn)行電路后仿,得到振蕩器起振過程如圖8所示。

振蕩器在0.5 μs內(nèi)起振,振蕩頻率約3 MHz。在5 V電源電壓、0.2 pF電容和1 GΩ電阻并聯(lián)負(fù)載、typical工藝角下仿真得到的電路輸出電壓為82.7 V,功耗0.65 mW。V_out端輸出電壓的瞬態(tài)仿真結(jié)果如圖9所示。

圖8 振蕩器起振過程

由圖9可知輸出電壓從0 V到90%最大輸出電壓所需時(shí)間約190 μs。當(dāng)電荷泵輸出為82 V、負(fù)載為0.2 pF電容和1 GΩ電阻并聯(lián)條件下,仿真得到的輸出控制器性能如圖10所示。

圖10 電荷泵輸出82 V、負(fù)載為0.2 pF電容和1 GΩ電阻并聯(lián)時(shí),輸出控制器的CTR端口與V_out端口電壓仿真結(jié)果

由圖10可知CTR端口和V_out端口的電平轉(zhuǎn)換都在5 μs內(nèi)完成。仿真還發(fā)現(xiàn)MOS管的工藝角對(duì)輸出電壓影響較小,原因可能是MOS管輸出電流小且只起著開關(guān)作用。然而電容的工藝角對(duì)仿真結(jié)果影響較大,電容在不同工藝角下電路性能的仿真結(jié)果如表1所示。

表1 5 V電源電壓、0.2 pF電容和1 GΩ電阻并聯(lián)負(fù)載下電路仿真結(jié)果

結(jié)果顯示電容在不同工藝角下,電路得到的輸出電壓變化較大。這主要是不同工藝角下的電容絕對(duì)值不同,導(dǎo)致電路帶負(fù)載能力改變,從而在相同負(fù)載下輸出電壓發(fā)生變化。

5 結(jié)論

本文給出了一種MEMS開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),電路基于SOI 200 V CMOS 工藝實(shí)現(xiàn),版圖整體面積約2 mm2。獨(dú)特的Trench工藝使每個(gè)MOS管襯底能夠具有不同的偏置電壓,相比傳統(tǒng)井隔離技術(shù),襯底偏置電壓可設(shè)置范圍明顯增大,寄生電容減小。Trench工藝、高阻載片及版圖優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法使得電路的寄生參數(shù)大大降低,效率明顯提高。仿真結(jié)果顯示,在5 V電源電壓、0.2 pF電容和1 GΩ電阻并聯(lián)負(fù)載下,輸出電壓達(dá)到82.7 V,滿足大部分MEMS開關(guān)的驅(qū)動(dòng)需要。同時(shí)該電路還可應(yīng)用于其他大電壓小電流的靜電驅(qū)動(dòng)MEMS器件。通過擴(kuò)展多個(gè)輸出控制器,電路可控制由多個(gè)MEMS器件構(gòu)成的模塊,如MEMS移相器、MEMS濾波器、MEMS衰減器、MEMS開關(guān)陣列等,因此具有很好的應(yīng)用前景。

[1] Tan G L,Mihailovich R E,Hacker J B,et al. Low-Loss 2- and 4-bit TTD MEMS Phase Shifters Based on SP4T Switches[J]. IEEE Transactions Microwave Theory and Techniques,2003,51(1):297-304.

[2] Kim M,Hacker J B,Mihailovich R E,et al. A DC-to-40 GHz Four-bit RF MEMS True-Time Delay Network[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2001,11(2):56-58.

[3] Nordquist C D,Dyck W,Kraus M,et al. A dc to 10-GHz 6-b RF MEMS Time Delay Circuit[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2006,16(5):305-307.

[4] Daneshmand M,Mansour R R. RF MEMS Satellite Switch Matrices[J]. IEEE Microwave Mag,2011,12(5):92-109.

[5] Rebeiz G M,Patel C D,Han S K,et al. The Search for a Reliable MEMS Switch[J]. IEEE Microwave Magazine,2013,14(1):57-67.

[6] Rebeiz G M. RF MEMS Theory,Design and Technology[M]. Hoboken,NJ,USA:Wiley-Interscience 2003.

[7] Yan N,Min H. A High Efficiency ALL-PMOS Charge Pump for Low-Voltage Operations[J]. Electronics Letters,2006,42(5):277-279.

[8] Lon-Kou Chang,Chih-Huei Hu. An Exponential-Folds Design of a Charge Pump Styled DC/DC Converter[C]//Power Electronics Specialists Conference,2004.

[9] Wong Oi-Ying,Wong H,Tam W S,et al. An Overview of Charge Pumping Circuits for Flash Memory Applications[C]//2011 IEEE 9th International Conference on ASIC.

[10] Yan N,Min H. An Improved Charge Pump with High Efficiency for Low Voltage Operations[C]//6th International Conference on ASIC,2005.

[11] Samaddar Tapan,Pan Feng. Charge Pump Circuit Design[M]. New York:McGraw-Hill,2005.

[12] Renyuan Zhang,et al. A Low Breakdown-Voltage Charge Pump Based on Cockcroft-Walton Structure[C]//IEEE 8th International Conference on ASIC,2009.

Design of Driving Circuit for MEMS Switch*

SUNJunfeng1,2*,ZHUJian1,3,LIZhiqun2,4,YUYuanwei1,3,QIANKeqiang1

(1.Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016,China;2. Institute of RF- and OE-ICs,Southeast University,Nanjing 210096,China;3.Science and Technology on Monolithic Integrated Circuits and Modules Laboratory,Nanjing 210016,China;4.School of Integrated Circuits,Southeast University,Nanjing 210096,China)

The reliable work of electrostatically actuated MEMS switch depends on the high actuating voltage which is difficult to be directly provided by most of the RF front-end systems,and an ASIC chip is needed to convert the system’s supply voltage into high voltage and drive the MEMS switch. Based on the 200 V SOI CMOS process,a driving circuit with high step-up ratio is designed for MEMS switch. A new type Cockcroft-Walton charge pump with low breakdown voltage and the special Trench process are adopted. As result,the performance of the driving circuit is improved. At the condition of the 5 V supply voltage and the load of 0.2 pF capacitor in parallel with 1 GΩ resistor,the output voltage of the driving circuit is up to 82.7 V,which meets the need of most MEMS switches.

charge pump;MEMS switch;step-up ratio;SOI;trench process

項(xiàng)目來源:預(yù)研基金項(xiàng)目(9140C14030314OC14004)

2016-03-22 修改日期:2016-04-23

C:1210

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.020

TN492

A

1005-9490(2017)02-0361-05