CN100517529C - 可变电容器 - Google Patents

Abstract

一种可变电容器，在通过在电极之间外加直流电压和高频电压而使静电电容可变化地使用的可变电容器中，在高频电压的有效电压值在直流电压的电压值的范围内时，对于外加直流电压而引起的静电电容的变化，实质上没有外加高频电压造成的变动。由于能够降低可变电容器对于高频电压的敏感率，所以能够得到非线形失真小并且耐功率高的可变电容器。因而提供了一种降低非线形失真的、能够高耐功率使用的、静电电容的可变量实质上不受高频电压影响的可变电容器。

Description

可变电容器

技术领域

本发明涉及一种可在低电压下工作的可变电容器，特别涉及高频电压对电容变化的影响小的可变电容。更具体是涉及即使高频电压增大，也能够维持直流电压形成的静电电容的可变比率，能够将非线形失真抑制得很小的可变电容器。

背景技术

以往，作为通过外加直流电压来变化静电电容的可变电容器，有采用变容二极管的和利用介电常数变化的薄膜电容器的可变电容器。

采用变容二极管的可变电容器，是通过对二极管外加逆偏置，使静电电容变化。二极管，利用对PN结沿顺方向外加偏置时电流流动，用于整流电路等。在该PN结合面存在称为电子和空穴都不存在的耗尽层，如果对二极管外加逆偏置，则由于电子及空穴都向远离PN结合面的方向迁移，所以耗尽层增厚，其厚度依逆偏置的大小变化。该耗尽层能够视为电介质。因此，在对二极管外加逆偏置时，由于依逆偏置的大小，变化电介质的厚度，结果，能够利用为静电电容变化的电容器。此外，变容二极管，由于具有适合采用半导体工艺的大批量生产的结构，因此具有能够廉价且静电电容的可变量大的优点。

采用利用介电常数的变化的薄膜电容器的可变电容器，是利用电介质的介电常数依赖于外部电场的可变电容器，例如，在特开平11-260667号公报中提出图6剖面图所示的例。在图6所示的例中，依次在支撑基板11上，依次附着形成下部电极层12、电介质层13、上部电极层14。具体是，在支撑基板11上大致全面附着形成成为下部电极层12的导电层后，进行图案加工，形成规定形状的下部电极层12。然后，在下部电极层12上形成电介质层13。该电介质层13，通过在规定位置上载置掩模，利用薄膜法形成，或利用旋转涂布法大致全面地形成，然后，图案形成规定形状。另外，根据需要进行加热硬化处理。上部电极层14，当在电介质层13上形成成为上部电极层14的导体层后，实施图案加工。另外，此处，在电介质层13中，实际上由下部电极层12和上部电极层14夹持的对峙区域为电容发生区域。

然后，该电容发生区域的电介质层13，通过供给下部电极层12和上部电极层14之间的外部控制电压，改变电介质层13所具有的介电常数。

因此，如果将与两电极层12、14对峙面积及电介质层13的厚度设定成固定，通过将外部控制电压设定为规定电压，能够在两电极层12、14间得到的可变电容值。如此，如果采用利用电介质层13的电介常数变化的薄膜电容器，通过选择形成电介质层13的电介质材料，能够形成可变量高且高Q的可变电容器。

采用上述变容二极管的可变电容器，和采用利用介电常数的变化的薄膜电容器的可变电容器，无论在哪种方式，都显示出图7中线图所示的静电电容的电压依赖性。在图7的线图中，横轴表示为外部控制电压的直流电压(单位：V)，纵轴表示静电电容(单位：pF)，黑棱形的点及特性曲线表示外部控制电压的高频电压的有效电压Vrms为0.1V时的静电电容的变化，×的点及特性曲线表示高频电压的有效电压Vrms为4V时的静电电容的变化。从图7所示的静电电容的电压依赖性看出，在外加直流电压形成的静电电容的变化中，重复外加高频电压时的静电电容的变化，在高频电压的有效电压Vrms低为0.1V时，随外加直流电压变化增大。相反，在高频电压的有效电压Vrms高为4V时，外加直流电压变化减小。即存在以下问题：在低有效电压值的高频电压的有效电压Vrms低为例如0.1V时，如果直流电压的电压值增大，静电电容单调减少，能得到大的变化量；另外，在高有效电压值的高频电压的有效电压Vrms例如为4V时，静电电容的直流电压依赖性减小。如此，如果静电电容的直流电压依赖性减小，由于相对于外部控制电压静电电容的变化量减小，所以利用该变化量的可变滤波器或可变匹配电路等的可变幅度减小，因此，不能得到可变滤波器或可变匹配电路等所要求的可变幅度。

此外，在上述可变电容器中，相对于外部控制电压的静电电容的响应，不属于线形关系(一次)，而属于含有高次项的非线形关系。该该非线形成分造成的非线形失真大，例如，存在1个指标IIP3为30dBm，达不到实用等级(例如50dBm)的问题。

另外，在上述可变电容器中，如果将外加的高频电压升高，容易破坏电容元件的绝缘，引起绝缘破坏的功率低于15～20dBm的范围，也就是存在耐功率低的问题。

此外，还存在静电电容值按高频功率的大小变化，静电电容的可变幅度按高频功率的大小变化的问题。

发明内容

本发明是针对以上以往技术中存在的问题而提出的，其目的是提供一种非线形失真小且耐功率高的可变电容器。

此外，本发明的另一目的是，提供一种不采用高价的升压电路、直流电压供给电路能够小型、廉价、能够减小非线形失真并且耐功率高的可变电容器。

另外，本发明的又一目的是，提供一种高Q且能够减小非线形失真并且耐功率高的可变电容器。

另外，本发明的又一目的是，提供一种廉价且能够减小非线形失真及耐功率高的可变电容器。

本发明的一种可变电容器，具有多个电容形成部，所述电容形成部包含由通过在电极之间施加直流电压和高频电压而改变介电常数的电介质材料构成的电介质层，上述电容形成部的静电电容是变化的，特征在于，上述多个电容形成部被串联连接而成，在这些串联连接的电容形成部的每一个上分别施加上述直流电压，直流电压Vdc＝1V时的静电电容C_1.0dc和直流电压Vdc＝4V时的静电电容C_4.0dc之比C_4.0dc/C_1.0dc为0.25～0.85，从100MHz到10GHz的频域内的高频电压的有效电压Vrms＝0.1V时的静电电容C_0.1rms和高频电压的有效电压Vrms＝4V时的静电电容C_4.0rms之比C_4.0rms/C_0.1rms为0.95～1.05。

此外，本发明的可变电容器由通过串联连接多个采用通过外加电压而使介电常数变化的电介质材料的可变电容器而构成，对这些串联连接的可变电容器的每一个，分别外加上述直流电压。

另外，发明的可变电容器通过串联连接多个变容二极管而构成，对这些串联连接的变容二极管的每一个，分别外加上述直流电压。

另外，在本发明中，上述通过外加电压介电常数变化的电介质材料，由至少含有Ba、Sr、Ti的钙钛矿型氧化物结晶颗粒构成。

根据本发明的可变电容器，由于能够降低对于电容器的高频电压的敏感率，所以能够减小非线形失真，并且能够得到耐功率高的可变电容器。

根据本发明的可变电容器，由于能够以低电流电压工作，所以不采用高价的生压电路，能够制成小型、廉价地直流电压供给电路，能够减小非线形失真，还能够得到耐功率高的可变电容器。

根据本发明的可变电容器，作为电介质能够采用低介质损耗的材料，所以高Q且能够减小非线形失真，还能够得到耐功率高的可变电容器。

根据本发明的可变电容器，由于能够采用半导体工艺大批量生产，所以廉价，且能够减小非线形失真，还能够得到耐功率高的可变电容器。

根据本发明，由于在电介质材料中采用钙钛矿型氧化物结晶颗粒，可得到介电常数高、电容变化率大、损失低的电介质层，所以能够形成高电容、电容变化率大的可变电容器。

本发明的目的、特色、优点从下面详细地说明和附图将会更加明确。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的可变电容器中的静电电容的电压依赖性的线图。

图2是表示本发明的一实施方式的可变电容器的透视状态的平面图。

图3是表示本发明的一实施方式的可变电容器的剖面图。

图4是图2所示的可变电容器的等价电路图。

图5是表示本发明的其它实施方式的可变电容器的等价电路图。

图6是表示以往的可变电容器的例子的剖面图。

图7是表示以往的可变电容器中的静电电容的电压依赖性的线图。

具体实施方式

以下，关于本发明的一实施方式的可变电容器，首先，在图1用与图7相同的线图表示其静电电容的电压依赖性的例子。在图1中，横轴、纵轴、特性曲线等与图7相同。即，在图1的线图中，横轴表示为外部控制电压的直流电压(单位：V)，纵轴表示静电电容(单位：pF)，黑棱形的点及特性曲线表示外部控制电压的高频电压的有效电压Vrms为0.1V时的静电电容的变化，×的点及特性曲线表示高频电压的有效电压Vrms为4V时的静电电容的变化。从图1所示的静电电容的电压依赖性看出，本发明的可变电容器，例如在通过外加电压值到5V范围的直流电压形成的静电电容的变化中，重复外加该电压值范围内的有效电压值的高频电压时的静电电容的变化，在高频电压的有效电压Vrms低为0.1V时，与以往同样，随着外加直流电压增大变化，同时在高频电压的有效电压Vrms高为4V时，也几乎相同地，随着外加直流电压增大而变化，实质上没有外加高频电压形成的变动。即，本发明的可变电容器，当在直流电压的电压值的范围内，外加低有效电压值的高频电压，例如Vrms＝0.1V时，如果直流电压的电压值增大，静电电容单调减少，能得到大的变化量，另外，同样，即使在直流电压的电压值的范围内，外加高有效电压值的高频电压，例如Vrms＝4V时，也显示实质上未见变动的同等的静电电容的直流电压依赖性。

此例的情况是，在直流电压Vdc＝1～4的范围内，Vdc＝1V时的静电电容C_1.0dc和Vdc＝4V时的静电电容C_4.0dc之比(C_4.0dc/C_1.0dc)为0.59，在1GHz的频率区域的测定中，高频电压的有效电压Vrms＝0.1V时的静电电容C_0.1rms和高频电压的有效电压Vrms＝4V时的静电电容C_4.0rms之比(C_4.0rms/C_0.1rms)为0.98～1.02的范围。

该Vdc＝1V时的静电电容C_1.0dc和Vdc＝4V时的静电电容C_4.0dc之比(C_4.0dc/C_1.0dc)，优选0.25～0.85的范围。这是，在使用本发明的可变电容器的电子电路中，频率调整等中所需要的静电电容的可变率最小为15％(C_4.0rms/C_1.0rms＝0.85)。另外，如果提高可变率，作为频率调整容易控制，但因此需要高的电场强度，容易在电容形成部的电介质层引起绝缘破坏。因此，作为可变率，75％(C_4.0rms/C_1.0rms＝0.25)为上限。

此外，如果从100MHz到10GHz的频率区的高频电压的有效电压Vrms＝0.1V时的静电电容C_0.1rms和高频电压的有效电压Vrms＝4V时的静电电容C_4.0rms的比(C_4.0rms/C_0.1rms)为0.95～1.05的范围，作为频率控制是足够的。例如，LC谐振系统的谐振频率f₀，表示如下。

$f_0=1/2\·\mathrm{\π}\sqrt{L}\·\sqrt{C}$

此处，在静电电容C增大5％时，谐振频率f₁为：

$f_1=1/2\·\mathrm{\π}\·\sqrt{L}\·\sqrt{1.05C}=f_0/\sqrt{1.05}=f_0/1.025=0.976f_0$

与下降2.5％谐振频率对应。另外，在频率控制用LC电路中，串联、并联地连接包含该可变电容器以外的寄生电容的固定电容器，由于可变电容器和该固定电容器的合成电容决定谐振频率，所以即使在静电电容C增大5％时，实质上也不改变谐振频率的变化，只要在该范围内，实质上就不会发生使用上的问题。

下面，采用示意表示一实施方式中的构成的附图，详细说明实现如此的静电电容的电压性依赖性的本发明的可变电容器。

图2是表示本发明的一实施方式的可变电容器的示意构成的透视状态的平面图，图3是其剖面图，图4是图2所示的可变电容器的等价电路图。在图2～图4中，可变电容器包括：支撑基板41，下部电极层42，导线431、432、433、434，电介质层44，上部电极层45，薄膜电阻461、462、463、464，绝缘层47，第1引出电极层49，第2引出电极层410，与外部电路的连接用端子部4111、4112。此外，C1～C5表示电容形成部，其静电电容，分别随控制用直流偏置电压及信号用高频电压的大小而变化。

本发明的可变电容器，按以下制作：在支撑基板41上，依次附着形成下部电极层42、电介质层44、上部电极层45，加工成所要求的形状。

此处，电介质层44，由通过外加电压变化介电常数的电介质材料构成。具体的，优选由至少含有Ba、Sr、Ti的钙钛矿型氧化物结晶颗粒构成的高介电常数材料构成。例如，该电介质层44，形成在下部电极层42的表面，即上面。例如，以得到钙钛矿型氧化物结晶颗粒的电介质材料作为靶材，利用溅射法成膜电介质层44，进行一定的时间，到达到所要求的厚度。此时，通过提高基板温度，例如以800℃进行溅射，不进行溅射后的退火，能够得到介电常数高、电容变化率大、损失低的电介质层44。

依次形成膜上部电极层45、电介质层44及下部电极层42，在加工成所要求的形状后，形成由导线431、432、433、434和薄膜电阻461、462、463、464构成的偏置线。第1偏置线由导线432、433和薄膜电阻461构成。第1偏置线，从外部连接用端子部4111，与第2电容形成部C2和第3电容形成部C3之间的连接点，即，设置在连接第2电容形成部C2的上部电极层45和第3电容形成部C3的上部电极层45的引出电极层(由第1引出电极层49及第2引出电极层410构成。)之间。同样，第2偏置线由导线432、434和薄膜电阻462构成。第2偏置线，从外部连接用端子部4111，与第4电容形成部C4和第5电容形成部C5之间的连接点，即，设置在连接第4电容形成部C4的上部电极层45和第5电容形成部C5的上部电极层45的引出电极层(由第1引出电极层49及第2引出电极层410构成。)之间。

此外，第3偏置线由导线431和薄膜电阻463构成。第3偏置线，从外部连接用端子部4112，与第3电容形成部C3和第4电容形成部C4之间的连接点，即，设置在连接第3电容形成部C3和第4电容形成部C4的共通的下部电极层42之间。同样，第4偏置线由导线431和薄膜电阻464构成。第4偏置线，从外部连接用端子部4112，与第1电容形成部C1和第2电容形成部C2的连接点，即，设置在连接第1电容形成部C1和第2电容形成部C2的共通的下部电极层42之间。

这些导线431、432、433、434，可在依次成膜上部电极层45、电介质层44、下部电极层42，加工成所要求的形状后，重新成膜得到。此时，为了不使先形成的下部电极层42、电介质层44及上部电极层45的形状变化，优选采用分离法。

另外，不局限于此，导线431、432、433、434，在加工下部电极层42时，使其具有下部电极层42的形状那样进行加工，也可以用与下部电极层42相同的材料及相同的工序形成。

构成第1～第4偏置线的薄膜电阻461、462、463、464的材料，优选其比电阻在1Ω·cm以上。通过采用如此的高电阻的材料，能够减小纵横比。因此，即使附加偏置线也能够不增大其形状地制作各电容形成部(电容元件)，有利于小型集成化。作为薄膜电阻461～464的具体材料，能够举例氮化钽、TaSiN、Ta-Si-O。例如，如果在采用氮化钽时，利用以Ta(钽)作为靶，加氮气进行溅射的反应溅射法，能够成膜所要求的组成比、电阻率的电阻膜。通过适宜选择该溅射条件，能够制作比电阻在1Ω·cm以上的电阻膜。另外，在溅射结束后，涂敷抗蚀剂，在加工成规定形状后，利用反应性离子刻蚀(RIE)等刻蚀工艺，能够简便地形成图案。

第1～第4偏置线的电阻值，在使用的频率区域，以偏置线的阻抗大于各电容形成部的阻抗的方式设定。另外，在图2所示的例中，由于导线431、432、433、434的电阻值，与薄膜电阻461、462、463、464的电阻值相比，非常小，所以各偏置线的电阻值，大致与各薄膜电阻461、462、463、464的电阻值相等。因此，能够在使用的频率区域，以大于各电容形成部的阻抗的方式设定薄膜电阻461、462、463、464的电阻值。例如，在频率1GHz使用该可变电容器，在将各电容形成部C1～C5的电容设定为5pF的情况下，以从该频率的1/10的频率(100MHz)不严重影响阻抗的方式，将薄膜电阻461、462、463、464的电阻值设定在各电容形成部C1～C5的在100MHz的阻抗的10倍以上。此时，所需的各薄膜电阻461、462、463、464的电阻值为大约3.2kΩ以上。一方面，通过采用上述的比电阻在1Ω·cm的材料，形成薄膜电阻461、462、463、464，例如即使将膜厚度设定为50nm，纵横比设定为50，由于也达到10kΩ的薄膜电阻，所以能够容易实现具有3.2kΩ以上的电阻值的薄膜电阻461、462、463、464。

下面，成膜绝缘膜47，形成开口部。但是，如图3所示，在绝缘层47上，为确保与薄膜电阻461、462和引出电极层的连接，以露出导线433、434的一部分的方式，设置通孔412。该贯孔412，用与开口部相同的工序形成。此外，作为从导线433、434的上面中的绝缘层47露出的部位，从提高耐湿性的角度考虑，优选只设定开口部及通孔412以及与外部电路的连接部4111、4112。

然后，形成由第1引出电极层49及第2引出电极层410构成的引出电极层。该引出电极层，连结第1电容形成部C1的上部电极层45和一方的外部连接用端子部4111，或连结上部电极层45相互之间，将第1电容形成部C1连接在端子形成部4111上，同时串联连接第2电容形成部C2和第3电容形成部C3及第4电容形成部C4和第5电容形成部C5每一个。另外，跨越C2和C3及C4和C5每一个的引出电极层，经由上述绝缘层47的通孔412，分别与导线433、434连接。

在本发明中，通过串联连接各个电容形成部C1～C5，可以降低电容器对高频电压地敏感率。串联连接电容形成部C1～C5，降低外加在各个电容形成部的高频电压。例如，在图4所示的电路构成中，将具有相同静电电容的5个电容形成部C1～C5串联连接。此时，各个电容形成部的高频电压，为外加在外部连接用端子4111、4112间的高频电压的1/5大小。通过这样降低外加在各个电容形成部的高频电压，可以降低电容器对高频电压的敏感率。

如此构成的可变电容器，表示了如图1所示的静电电容的电压依赖性。即表示了以下的静电电容的直流电压依赖性：在直流电压的电压值的范围内，在外加低有效电压值的高频电压，例如外加Vrms＝0.1V的时候，如果直流电压增大，静电电容单调减少，能得到大的变化量。另外，即使在外加高有效电压值的高频电压，例如Vrms＝4V的时候，静电电容也同样单调减少，能得到大的变化量，没有实质上的外加高频电压所造成的变动。

图5是表示本发明的其它实施方式的可变电容器的等价电路图。作为本发明的其它实施方式的可变电容器，如图5的等价电路图所示，在与以上的实施方式相同的构成中，作为电容形成部，也可以采用多个变容二极管，将它们串联连接，能够对各变容二极管外加直流电压的方式构成。

另外，在作为电容形成部采用变容二极管时，要需要注意使相邻的变容二极管的极性反相地使用。

在图5所示的电路构成中，变容二极管都可以视为在电回路上的电容器，所以通过将变容二极管串联连接，可以减少外加在每个变容二极管上的高频电压，由此，可以减少电容器对高频电压的敏感率。

如上构成的本发明的可变电容器，非线形失真小，例如，1个指标IIP3为60dBm，能够完全满足实用等级(例如50dBm)。

另外，由于能够降低相对于高频电压的静电电容的敏感率，因此也减少外加高频电压造成的电容形成部的绝缘破坏，耐功率达到35dBm以上，即使便携式电话等无线通信设备所使用的发送功率(最大33dBm)，也能够作为高可靠性的可变电容器使用。

如果采用按以上制作的本发明的可变电容器，在通过在电极之间外加直流电压及高频电压，使静电电容变化地使用的可变电容器中，在上述高频电压的有效电压值在直流电压的电压值的范围内时，对于外加上述直流电压而形成的上述静电电容的变化，实质上没有外加高频电压造成的变动的方式构成。由此，由于能够降低可变电容器对高频电压的敏感率，所以能够得到可减小非线形失真并且耐功率高的可变电容器。

根据本发明的可变电容器，在直流电压Vdc＝1～4V的范围内，Vdc＝1V时的静电电容C_1.0dc和Vdc＝4V时的静电电容C_4.0dc的比(C_4.0dc/C_1.0dc)为0.25～0.85，在从100MHz到10GHz的频域内的高频电压的有效电压Vrms＝0.1V时的静电电容C_0.1rms和高频电压的有效电压Vrms＝4V时的静电电容C_4.0rms之比(C_4.0rms/C_0.1rms)为0.95～1.05，如此构成。此时，由于能够以低电流电压工作，所以不采用高价的升压电路，能够小型、廉价地形成直流电压供给电路，能够减小非线形失真，还能够得到耐功率高的可变电容器。

此外，本发明的可变电容器以如下的方式构成：以串联连接多个、采用根据外加电压改变介电常数的电介质材料的可变电容器，对这些串联连接的可变电容器的每一个，分别外加上述直流电压。此时，由于作为电介质能够采用低介质损耗的材料，所以能够得到高Q且能够减小非线形失真的、耐功率高的可变电容器。

根据本发明的可变电容器以如下方式构成：在以串联连接多个变容二极管，对这些并联连接的变容二极管的每一个，分别外加直流电压。此时，由于能够采用半导体工艺大批量生产，所以能够廉价减小非线形失真，还能够得到耐功率高的可变电容器。

根据本发明的可变电容器，由于在电介质材料中采用钙钛矿型氧化物结晶颗粒，得到介电常数高、电容变化率大、损失低的电介质层，所以能够形成高容量、电容变化率大的可变电容器。

另外，本发明并不局限于以上的实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内，也可以进行多种变更。例如，在以上的实施方式中，电容形成部设定为由金属/电介质/金属构成的叠加型的电容器，电容形成部的电容器的方式也可以形成间隙型。在间隙型的电容器时，由于与叠加型的电容器相比，工序数减少，所以能够有利于廉价制作。

本发明，在不脱离其精神或主要特征的情况下，能够以其它种种方式实施。因此，上述实施方式，在所有点上只是单一的示例，本发明的范围示于权利要求范围内，不受说明书本文任何约束。另外，属于权利要求范围的失真或变更，全部包括在本发明的范围内。

Claims (3)

1、一种可变电容器，具有多个电容形成部，所述电容形成部包含由通过在电极之间施加直流电压和高频电压而改变介电常数的电介质材料构成的电介质层，上述电容形成部的静电电容是变化的，特征在于，

上述多个电容形成部被串联连接而成，在这些串联连接的电容形成部的每一个上分别施加上述直流电压，

直流电压Vdc＝1V时的静电电容C_1.0dc和直流电压Vdc＝4V时的静电电容C_4.0dc之比C_4.0dc/C_1.0dc为0.25～0.85，从100MHz到10GHz的频域内的高频电压的有效电压Vrms＝0.1V时的静电电容C_0.1rms和高频电压的有效电压Vrms＝4V时的静电电容C_4.0rms之比C_4.0rms/C_0.1rms为0.95～1.05。

2、根据权利要求1所述的可变电容器，其特征在于，

上述电介质材料由至少含有Ba、Sr和Ti的钙钛矿型氧化物结晶颗粒构成。

3、一种可变电容器，具有多个电容形成部，所述电容形成部由变容二极管构成，上述电容形成部的静电电容是变化的，特征在于，

上述多个电容形成部被串联连接而成，在这些串联连接的电容形成部的每一个上分别施加上述直流电压，

直流电压Vdc＝1V时的静电电容C_1.0dc和直流电压Vdc＝4V时的静电电容C_4.0dc之比C_4.0dc/C_1.0dc为0.25～0.85，从100MHz到10GHz的频域内的高频电压的有效电压Vrms＝0.1V时的静电电容C_0.1rms和高频电压的有效电压Vrms＝4V时的静电电容C_4.0rms之比C_4.0rms/C_0.1rms为0.95～1.05。

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