CN111095451A - 高压可调多层电容器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种可调多层电容器。该电容器包括与第一有源端子电接触的第一有源电极和与第二有源端子电接触的第二有源电极。该电容器包括与第一DC偏置端子电接触的第一DC偏置电极和与第二DC偏置端子电接触的第二DC偏置电极。多个介电层设置在第一和第二有源电极之间以及在第一和第二偏置电极之间。至少一部分介电层包含可调介电材料，在将所施加的DC电压施加在第一和第二DC偏置电极两端时，该可调介电材料表现出可变介电常数。多个介电层中的至少一个的厚度大于约15微米。

Description

高压可调多层电容器
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2017年9月8日的美国临时专利申请序列号62/555,924的申请权益，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
已经在依赖于电介质的可变介电特性的各种应用中提出了可调电容器。对于此类电容器，零偏置下的电容通常接近其最大值，并且电容会随着施加的电压而下降。电容的变化使这些单元可用于在滤波器、匹配网络、谐振电路以及从音频到RF和微波频率的其他应用中创建可调电路。尽管它们具有优点，但是部分地由于在高功率和电压水平下获得的相对较低的电容值，这种电容器的使用已受到相对限制。因此，当前需要一种具有可用于更广泛的可能应用中的改进性能的电压可调电容器。
发明内容
根据本公开的一实施例，公开了一种可调多层电容器，其包括与第一有源端子电接触的第一有源电极和与第二有源端子电接触的第二有源电极。该电容器还包括与第一DC偏置端子电接触的第一DC偏置电极和与第二DC偏置端子电接触的第二DC偏置电极。该电容器还包括多个介电层，其设置在第一和第二有源电极之间以及在第一和第二偏置电极之间。至少一部分介电层包含可调介电材料，在将所施加的DC电压施加在第一和第二DC偏置电极两端时，该可调介电材料表现出可变介电常数。多个介电层中的至少一个的厚度大于约15微米。
根据本公开的另一实施例，公开了一种可调多层电容器，其包括与第一有源端子电接触的第一有源电极和与第二有源端子电接触的第二有源电极。该电容器还包括与第一DC偏置端子电接触的第一DC偏置电极和与第二DC偏置端子电接触的第二DC偏置电极。该电容器还包括多个介电层，其设置在第一和第二有源电极之间以及在第一和第二偏置电极之间。至少一部分介电层包含可调介电材料，在将所施加的DC电压施加在第一和第二DC偏置电极两端时，该可调介电材料表现出可变介电常数。所施加的DC电压大于约100V，但不超过可调介电材料的击穿电压的约50％。
本发明的其他特征和各方面在下面更详细地阐述。
附图说明
在本说明书的其余部分中更具体地阐述了针对本领域普通技术人员的包括本发明的最佳模式的本发明的完整可行的公开，其中参考以下附图：
图1图示了在归一化的偏置电压变化的范围内利用当前公开的主题可获得的电容变化；
图2A、2B和2C分别示出了根据当前公开的主题的四端子偏置的多层电容器的示例性实施例的截面图、分解平面图和分解透视图；
图2D示出了根据当前图2A至2C的示例性实施例的组装装置的总体侧视图、俯视图和端部透视图；
图2E和2F分别示出了当前图2A至2D的示例性实施例的并联配置和串联配置代表图；
图3A、3B和3C分别示出了根据当前公开的主题的四端子可调级联构造多层电容器的示例性实施例的截面图、分解平面图和分解透视图；
图3D和3E分别示出了当前图3A至3C的示例性实施例的并联配置和串联配置代表图；
图4A和4B分别示出了根据当前公开的主题的四端子可调部分偏置构造多层电容器的示例性实施例的截面图和分解平面图；
图4C示出了当前图4A和4B的示例性实施例的代表图；
图5表示根据本公开的主题的芯片制造自动化过程(CMAP)示例性实施例，其可用于制造如随之公开的装置示例性实施例；
图6示出了根据当前公开的主题的偏置不对称多层电容器的示例性实施例的截面图；
图7A和7B分别示出了根据当前公开的主题的偏置多层电容器的1:1比率重叠对称设计的示例性实施例的截面图和局部放大透视图；
图7B和7C分别示出了根据当前公开的主题的偏置多层电容器的1:1比率重叠对称设计的另一示例性实施例的截面图和局部放大透视图；
图8示出了根据当前公开的主题的偏置多层电容器的11:1比率非屏蔽非对称设计的示例性实施例的截面图；
图9示出了根据当前公开的主题的偏置多层电容器的11:1比率屏蔽非对称设计的示例性实施例的截面图；
图10示出了根据当前公开的主题的成分混合的偏置多层电容器的示例性实施例的截面图；
图11A-11C分别示出了在本发明的某些实施例中可以用于有源和偏置端子的各种对称定向；
图12示出了根据本公开的主题的各方面的具有单个引线和引线框附件的堆叠电容器阵列的实施例；以及
图13示出了根据本公开的各方面的示例堆叠电容器阵列的测量电容，其中所施加的DC偏置电压水平在0V至200V的范围内。
在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示相同或相似的特征、元件或其步骤。
具体实施方式
本领域普通技术人员应理解，本讨论仅是示例性实施例的描述，而无意于限制本公开的更广泛的方面，更广泛的方面体现在示例性构造中。
一般而言，本发明涉及一种多层电容器，其包含插入在交替的有源电极层之间的多个介电层。至少一部分介电层包括可调材料，在施加所施加的电压时，该可调材料表现出可变介电常数。更特别地，这种材料的“电压可调系数”通常在约10％至约90％的范围内，在一些实施例中为约20％至约80％，在一些实施例中为约30％至约70％，其中“电压可调系数”是根据以下一般公式确定的：
T＝100x(ε0-εV)/ε0
其中，
T是电压可调系数；
ε0是没有所施加的电压时材料的静态介电常数；以及
εV是在施加所施加的电压(DC)后材料的可变介电常数。
材料的静态介电常数通常在约100至约25,000的范围内，在一些实施例中为约200至约10,000，在一些实施例中为约500至约9000，比如在约-55℃至约150℃(例如25℃)的操作温度和约100Hz至约1GHz(例如1kHz)的频率下根据ASTM D2149-13确定。当然，应当理解，静态介电常数的具体值通常是基于使用电容器的特定应用来选择的。当施加有增加的DC偏置时，介电常数通常会在上述范围内降低。为了引起介电常数的所需变化而施加的调谐电压通常可以相对于施加电场后介电组合物开始变得导电的电压(“击穿电压”)变化，该电压可以在25℃的温度下根据ASTM D149-13确定。在大多数实施例中，所施加的DC偏置电压为介电组合物的击穿电压的约50％或更低，在一些实施例中为约30％或更低，在一些实施例中为约0.5％至约10％。
如本领域中已知的，通常可以采用任何各种可调介电材料。特别合适的材料是电介质，其基础成分包括一种或多种铁电基相，比如钙钛矿、钨青铜材料(例如铌酸钠钡)、层状结构材料(例如钛酸铋)。合适的钙钛矿可以包括例如钛酸钡和相关的固溶体(例如钛酸锶钡、钛酸钡钙、钛酸锆酸钡、锆钛酸锶锶钡、钛酸锆钡钛酸钡等)、钛酸铅和相关的固溶体(例如锆钛酸铅、锆钛酸镧铅)、钛酸铋钠等。在一特定实施例中，例如，可以使用式BaxSr1- xTiO3的钛酸锶钡(“BSTO”)，其中x为0至1，在一些实施例中为约0.15至约0.65，在一些实施例中为约0.25至约0.6。可以部分或完全代替钛酸锶钡使用其他电子可调介电材料。例如，一个示例是BaxCa1-xTiO3，其中x为约0.2至约0.8，在一些实施例中为约0.4至约0.6。其他合适的钙钛矿可以包括PbxZr1-xTiO3(“PZT”)，其中x的范围为约0.05至约0.4，钛酸镧锆铅(“PLZT”)、钛酸铅(PbTiO3)、钛酸钡钙锆(BaCaZrTiO3)、硝酸钠(NaNO3)、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3、PbNb2O6、PbTa2O6、KSr(NbO3)和NaBa2(NbO3)5KHb2PO4。其他复杂的钙钛矿可以包括A[B11/3B22/3]O3材料，其中A为BaxSr1-x(x可以为0到1的值)；B1是MgyZn1-y(y可以是0到1的值)；B2是TazNb1-z(z可以是0到1的值)。感兴趣的潜在介电材料可以通过在交替层中组合两个端成员成分而形成，如图10的示例性实施例所示。这种端成员成分在化学上可以相似，但A位掺杂剂的比率不同，如上所述。例如，成分1(图10中的132)可以是通式(A1x,A2(1-x))BO3的钙钛矿化合物，成分2(134)可以是通式(A1y,A2(1-y))BO3的钙钛矿，其中A1和A2来自Ba、Sr、Mg和Ca；潜在的B位成员是Zr、Ti和Sn，“x”和“y”表示每种组分的摩尔分数。化合物1的具体示例可以是(Ba0.8 Sr0.2)TiO3，化合物2可以是(Ba0.6 Sr0.4)TiO3。这两种化合物可以在具有可调电极结构的烧结多层电容器中以交替层组合，如图10所示，使每种材料的介电特性重叠。如果需要的话，钙钛矿材料也可以掺杂稀土氧化物(“REO”)，比如含量小于或等于5.0摩尔％，更优选为0.1至1摩尔％。为此，合适的稀土氧化物掺杂剂可以包括例如钪、钇、镧、铈、镨、钕、镨、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥。
不管所使用的特定材料如何，可调介电材料的使用可以允许由通过偏置端子施加DC偏置电压来调谐所得电容器的电容。更具体地，电容器包含与第一有源端子(例如输入端子)电接触的一组第一有源电极和与第二有源端子(例如输出端子)电接触的一组第二有源电极。电容器还包含与第一DC偏置端子电接触的一组第一DC偏置电极和与第二DC偏置端子电接触的一组第二DC偏置电极。当设置在电路中时，DC电源(例如电池、恒压电源、多输出电源、DC-DC转换器等)可以通过第一和第二偏置端子向电容器提供DC偏置，这些端子通常是双极性的，因为它们具有相反的极性。电极和端子可以由本领域已知的任何各种不同金属形成，比如贵金属(例如银、金、钯、铂等)、贱金属(例如铜、锡、镍等)等等及其各种组合。介电层介于相应的有源电极和偏置电极之间。
不管采用何种特定配置，本发明人都发现，通过选择性地控制可调介电材料的性质、介电层的数量以及介电层的厚度，可以得到一种在很宽的电压和电容值范围内都具有出色的可调性的电容器。例如，这种电容器可以允许单个电容器中更高的施加的DC偏置电压值和更高的电容(与并联连接的多个电容器相比)，其总尺寸小于常规认为可能的尺寸。例如，在某些实施例中，所施加的DC偏置电压可以大于约10V，在一些实施例中大于约50V，在一些实施例中大于约100V，在一些实施例中大于约350V，在一些实施例中大于约500V，在一些实施例中大于约750V，在一些实施例中大于约1000V，在一些实施例中大于约1200V，在一些实施例中大于约1500V。例如，在一些实施例中，所施加的DC偏置电压可以在约10V至约1500V的范围内，在一些实施例中为约20V至约1000V，在一些实施例中为约30V至约750V，在一些实施例中为约40V至约500V，在一些实施例中为约50V至约350V。所施加的偏置场的范围同样为约0.2V/μm至约50V/μm，在一些实施例中为约0.5V/μm至约40V/μm，在一些实施例中为约0.5V/μm至约25V/μm，在一些实施例中为约1V/μm至约7V/μm。
电容值也可被控制在比常规认为可能的更大宽的值范围内。例如，电容器可被构造成具有范围为0.5至50,000,000皮法拉(“pF”)的初始电容值的调谐能力，如下文所讨论。因此，电容器可用于需要高电容的应用中，比如在100pF或更高的值下，在一些实施例中为约10,000pF或更高，在一些实施例中为约100,000至约10,000,000pF，在一些实施例中为约200,000至5,000,000pF，在一些实施例中为约400,000至约3,500,000pF。同样地，在其他实施例中，电容器可用于需要低电容的应用中，比如在小于100pF的值下，在一些实施例中为约50pF或更高，在一些实施例中为约0.5至约30pF，在一些实施例中为约1至约10pF。电容可以调谐的程度可以根据需要变化。例如，可以将电容的值调节为其初始值的约10％至约100％，在一些实施例中为约20％至约95％，在一些实施例中为约30％至约80％。可以在1kHz或1MHz的频率、约25℃的温度以及500mV的固定振荡下使用Agilent4294A阻抗分析仪来确定电容。
在一些实施例中，介电层的厚度可以在约5微米(μm)至约150μm的范围内，在一些实施例中为约15μm至约100μm，在一些实施例中为约30μm至约70μm，例如约50μm。电极层的厚度可以在约0.5μm至约3.0μm的范围内，在一些实施例中为约1μm至约2.5μm，在一些实施例中为约1μm至约2μm，例如约1.5μm。
有源和偏置电极层的总数可以变化。例如，在一些实施例中，有源电极层的总数的范围可以为2至约10,000，在一些实施例中为2至约1,000，在一些实施例中为约10至约500，在一些实施例中为约30至约120，例如约50。例如，在一些实施例中，偏置电极的总数的范围可以为2至约10,000，在一些实施例中为2至约1,000，在一些实施例中为约10至约500，在一些实施例中为约30至约120，例如约50。应当理解，在附图中描绘和在此描述的电极层和偏置层的数量仅是说明性的。
电容器的长度的范围可以例如为约1毫米(mm)至约50mm，在一些实施例中为约2mm至约35mm，在一些实施例中为约5mm至约15mm，在一些实施例中为约7mm至约14mm。电容器的宽度的范围可以例如为约1mm至约50mm，在一些实施例中为约2mm至约35mm，在一些实施例中为约5mm至约15mm，在一些实施例中为约7mm至约14mm。
电容器的高度的范围可以例如为约0.5mm至约14mm，在一些实施例中为约0.75mm至约7mm，在一些实施例中为约1mm至约5mm，在一些实施例中为约2mm至约5mm，例如约3mm。电容器的长度与电容器的高度的比率的范围可以例如为约1至约15，在一些实施例中为约2至约7，在一些实施例中为约3至约5，例如约4。电容器的宽度与电容器的高度的比率的范围可以例如为约1至约15，在一些实施例中为约2至约7，在一些实施例中为约3至约5，例如约4。
图1以图形形式示出了可在归一化的偏置电压变化范围内实现的电容变化。具体地，水平轴将归一化的偏置电压绘制为装置的额定电压的百分比，比如0％至150％。如图所示，装置有效电容的相应变化在竖直轴上绘制，以相对于电容值的变化百分比表示，没有任何偏置。如该图1的图形所示，归一化的偏置电压量的150％的增加沿着相对直线的曲线接近无偏置电容值降低80％，如图所示。以这种方式，根据当前公开的主题的电压可调电容器装置有助于在使用条件范围内最大化效率。
现在参照图2A-2D，现在将更详细地描述根据本发明可以形成的电容器10的一特定实施例。如图所示，电容器10包含相对于两组分离的有源电极14和20以及两组分离的偏置电极22和26交替堆叠的多个介电层12。电容器可以是六面体，比如矩形主体。在所示的实施例中，第一有源端子16电连接到第一有源电极14，第二有源端子18电连接到第二有源电极20。第一偏置电极22通过延伸到电容器10侧面的延伸构件24(例如接线片)与第一DC偏置(+)端子30电连接。类似地，第二偏置电极26通过延伸构件28与第二DC偏置(-)端子32电连接。因此，所得的电容器10包含四(4)个分离的端子。在一些实施例中，有源端子16、18可以缠绕在电容器10的相应端部周围，以提供更大的端子16、18，用于将电容器10电连接在电路中。DC偏置端子30、32可以配置为不延伸电容器10的整个侧面的条带。然而，在其他实施例中，DC偏置端子30、32可以代替地缠绕在电容器10的侧面周围，并且有源端子16、18可以配置为不沿着电容器的整个端部延伸的条带。
图2E和2F分别示出了当前图2A至2D的示例性实施例的并联配置和串联配置代表图。如图所示，相对于偏置输入还提供了接地34，示出为用于并联配置。
在以上讨论的实施例中，堆叠有源电极，使得每个交替电极连接到相对的端子。在某些实施例中，可通过使用“级联”配置将交替层连接到相同的端子，其中每组有源电极在横向上而不是以堆叠方式间隔开。这种级联电容器49的一实施例在图3A-3C中示出。如图所示，电容器49包含多个介电层44，其相对于两组分离的有源电极36和40以及两组分离的偏置电极46和50布置。在所示的实施例中，第一有源端子38与第一有源电极36电连接，第二有源端子42与第二有源电极40电连接。第一偏置电极46通过延伸到电容器49的侧面的延伸构件48与第一DC偏置(-)端子54电连接。类似地，第二偏置电极50通过延伸构件52与第二DC偏置(+)端子56电连接。图3D和3E分别示出了当前图3A至3C的示例性实施例的并联配置和串联配置代表图。如图所示，相对于偏置输入还提供了接地58，示出为用于并联配置。
图4A-4C示出了根据本发明的电容器59的另一实施例，其可以部分级联的构造形成。电容器59被认为是“部分级联的”，因为仅整个有源电容区域的部分区域60被偏置(参见图4A)。如图所示，偏置浮动电极的添加允许施加外部电压以改变将由其他因素和特征确定的总电容的介电特性。如这些图所示，介电层62可以相对于第一和第二组有源电极64和66、第一和第二组偏置电极68和72以及多个浮动电极76交替堆叠。第一有源电极64与第一有源端子78电连接，而第二有源电极66与第二有源端子80电连接。第一偏置电极68通过延伸到电容器59的侧面的延伸构件70与第一DC偏置(+)端子82电连接。类似地，第二偏置电极72经由延伸构件74与第二DC偏置(-)端子84电连接。应该理解，图4A中所示的电极层的数量仅是说明性的。如上所述，在一些实施例中，有源电极的数量的范围可以为2至约10,000。如上所述，在一些实施例中，偏置电极的数量的范围可以为2至约10,000。
根据本公开的各方面的又一实施例在图7A和7B中示出。在该实施例中，第一和第二组有源电极114、120分别与第一和第二组偏置电极122、126以交替的1:1比率图案堆叠。参照图7B，在一些实施例中，偏置电极122、126的引线124、128可以配置为突出的接线片。引线124、128可以成品形式接触DC偏置端子30、32，如图2D所示。应该理解的是，图7A和7B中所示的电极层的数量仅是说明性的。
根据本公开的各方面的另一实施例在图7C和7D中示出。在该实施例中，有源电极114、120可以包括各自的引线125和127，其可以配置为突出的接线片。引线125、127可以与在图7D中示出的相应有源端子16、18电连接。这可以提供电容器的各层的边缘之间，尤其是在各层的角部处的改进的层叠，这可以导致更坚固的电容器。此外，此配置可以减少制造过程中分层问题的发生。
另外，可以选择接线片124、125、126、127的相应宽度，以有利地提供与相应电极114、120、122、126的更大的电接触(例如具有较小的电阻)。另外，与DC偏置电极122、126相关的接线片124、128的宽度以及端子30、32的宽度可以选择成避免偏置电极端子30、32与信号电极端子16、18之间的接触。例如，在一些实施例中，接线片124、125、126、127可沿着电容器的边缘的10％或更多延伸，在一些实施例中为30％或更多，在一些实施例中为60％或更多。应该理解的是，图7A-7D中所示的电极层的数量仅是说明性的。如上所述，在一些实施例中，有源电极的数量的范围可以为2至约10,000。如上所述，在一些实施例中，偏置电极的数量的范围可以为2至约10,000。
在上述实施例中，电极通常以“对称”配置使用，因为第一有源电极和第二有源电极之间的距离(或电介质厚度)通常与第一偏置电极和第二偏置电极之间的距离相同。然而，在某些实施例中，可能期望改变该厚度以实现“非对称”配置。例如，第一和第二有源电极之间的距离可以小于第一和第二偏置电极之间的距离。在其他实施例中，第一和第二有源电极之间的距离可以大于第一和第二偏置电极之间的距离。其中，对于给定水平的所施加的DC偏置，这可能会增加所施加的DC场，这会增加给定的DC偏置电压的可调性水平。对于相对较适度的DC电压，这种布置还可以允许相对较大的可调性，并且可使用具有适度可调性的材料(具有潜在的较低损耗和温度/频率可变性)。尽管可以多种方式实现这种不对称配置，但通常期望在每对有源电极之间使用附加的“浮动”偏置电极。参考图6，例如，示出了这种不对称电容器的一实施例，其分别包含分别与第一和第二偏置电极122、126结合的第一和第二有源电极114、120。
图8示出了不对称电容器的另一实施例，其中每第11个电极是有源电极而不是偏置电极(11:1比率设计)。在这种情况下，每个这种相应的有源电极(例如AC电极)可以由具有相反极性的一对DC偏置电极界定。因此，可以在每个AC电极上产生偏置场。这样的配置可以在AC信号和DC偏置电压的两个极性之间提供电容耦合，反之亦然。每个AC电极214、220可以设置在具有相反极性222、226的一对偏置电极之间。第一组偏置电极222可以全部具有相同的极性，第二组偏置电极226(用虚线示出)可以全部具有与第一组偏置电极222相反的各自极性。这种配置可以在每个AC电极214、220和两个DC偏置极性之间提供电容耦合。
图9示出了根据当前公开的主题的偏置多层电容器的11:1比率“屏蔽”不对称设计的示例性实施例的截面图。这类似于图8所示的例子，除了每个AC电极314、320由具有相同极性的一对DC电极(322或326)界定之外。一组偏置电极322可以全部具有相同的极性，而另一组偏置电极326(用虚线示出)可以全部具有相反的极性。虽然具有相同极性的两个DC电极(322或326)之间的材料可能无法提供调谐，但该材料可能会为AC信号提供屏蔽，从而减少了相关噪声。这样的配置还可提供仅具有单个DC偏置极性的第一组AC电极314中的每个之间的耦合。类似地，这样的配置可以仅在第二组AC电极320和相反的DC偏置极性之间提供电容耦合。
应该理解的是，图8和9中所示的电极层的数量仅是说明性的。如上所述，在一些实施例中，有源电极的数量的范围可以为2至约10,000。如上所述，在一些实施例中，偏置电极的数量的范围可以为2至约10,000。
尽管不是必须要求的，但通常希望有源和DC偏置端子围绕电容器的轴线对称设置。例如，在一实施例中，电容器可包含在纵向方向上间隔开的相对的第一和第二端部区域以及在横向方向上间隔开的相对的第一和侧部区域。在某些实施例中，有源端子可以位于电容器的各个端部区域，而DC偏置端子可以位于电容器的各个侧部区域。当对称布置时，有源端子和/或DC偏置端子可以与延伸穿过电容器的几何中心的纵轴和/或横轴等距间隔开。参考图11(a)，例如，示出了电容器1000的一实施例，其包含彼此垂直并且延伸穿过几何中心“C”的纵轴“x”和横轴“y”。在该特定实施例中，电容器1000分别包含第一和第二有源端子1100和1120，它们位于电容器1000的端部区域并且以轴“x”和“y”为中心。类似地，电容器1000包含第一和第二偏置端子1140和1160，它们位于电容器1000的侧部区域且也以轴线“x”和“y”为中心。
在某些实施例中，可能还希望在电容器的同一侧上放置两个或更多个端子。例如，在图11(b)中，示出了电容器2000的一实施例，其包含位于同一侧部区域上的第一有源端子2100和第二有源端子2140。电容器2000还包含第一偏置端子2160和第二偏置端子2120，它们都位于与有源端子相反的另一侧部区域上。尽管有源端子2100和2140仅位于侧部区域上，但它们仍对称地布置，因为它们都与轴“x”和“y”等距放置。类似地，偏置端子2160和2120也与轴“x”和“y”等距定位。在上述实施例中，第一有源端子和第一偏置端子定位成与相应的第二有源端子和第二偏置端子相对。当然，这绝不是必需的。例如，在图11(c)中，示出了电容器3000，其分别包含第一和第二有源电极端子3100和3160，它们以偏置配置位于相对的侧部区域。然而，第一有源端子3100和第二有源端子3160仍对称地布置，因为它们都与轴“x”和“y”等距定位。类似地，电容器3000还包含第一偏置端子3120和第二偏置端子3140，它们以相对于轴“x”和“y”等距的偏置配置位于相对的侧部区域。
当前公开的主题同样涵盖用于改进的电压可调装置的相关和/或相应的方法，包括例如这种装置的生产以及它们与相关电路的组合使用。作为进一步的示例，图5表示芯片制造自动化过程(CMAP)86，其可用于与制造如随之公开的装置示例性实施例结合。如图所示，过程86可以包括多个连续的阶段，在某些情况下，包括三个烤箱，具有插入的陶瓷台或其他步骤/小面，比如代表性地示出的使用筛头或升降机和输送机特征。本领域普通技术人员将理解，连续步骤的确切提供将取决于正在产生随之公开的示例性装置实施例(或其修改例)中的哪个。同样，所指示的各个步骤仅旨在表示所指示的步骤类型，而不指示所指示的步骤的一般性质之外的其他方面的要求使用。例如，筛头步骤可以包括将不锈钢筛与电极糊一起用于电极层的筛糊，或者可以针对该步骤实践其他技术。例如，可以实践更常规的交替堆叠和层压(用胶带)的步骤。在任一过程(或其他过程)中，本领域普通技术人员将认识到，可以实践所选择的步骤以产生针对当前公开的主题的给定应用选择的特定设计。
参考图12，可以通过堆叠各个电容器10来形成堆叠电容器阵列4000，例如图2A-2D所示。与单个电容器10相比，堆叠电容器阵列4000可以提供增加的电容，并且可以允许更容易的制造和组装。电容器10可以并联连接。例如，第一引线框4002可以连接每个第一有源端子16，第二引线框4004可以连接每个第二有源端子19。第一单引线4006可以连接每个第一DC偏置端子30，第二单引线4008可以连接每个第二DC偏置端子32。如上面关于图2A-2D所示，在一些实施例中，有源端子16、18和DC偏置端子30、32的配置可以颠倒。例如，DC偏置端子30、32可以缠绕在电容器10周围，而不是有源端子16、18缠绕在电容器10周围，如图12所示。在一些实施例中，堆叠电容器阵列4000可以包括2至24个电容器，在一些实施例中为3至12个电容器，在一些实施例中为4至6个电容器。在其他实施例中，堆叠电容器阵列4000可包括大于24个电容器。
本发明的电容器可用于多种应用中，包括例如飞机中使用的电路。例如，一个应用可以包括以范围为约200Hz至约1200Hz的频率操作的交流电路，在一些实施例中为约300Hz至约1100Hz，在一些实施例中为约400Hz至约1000Hz。在这样的应用中，电容器的电容范围可以为约5微法拉(μF)至约15μF，在一些实施例中为约8μF至约12μF，例如约10μF。所施加的偏置电压的范围可以为约100V至约300V，在一些实施例中为约150V至约250V，例如约200V。
附加应用可以包括被启用以用于调谐开关模式电源的振荡频率的电路。通过使用本发明的电容器，可以在高DC电压(即偏置电压)下选择性地获得更好的可调性，同时允许使用具有相对适度可调性但具有潜在的较低损耗和较低温度/频率可变化性的材料。其他合适的应用可能包括例如波导、RF应用(例如延迟线)、天线结构、滤波器(例如负载点滤波器和电路)、匹配网络、谐振电路、可变负载电路中的平滑电容器及其他应用。
示例
示范了根据本公开的各方面的包括多个可调多层电容器的堆叠电容器阵列。如图12所示组装堆叠电容器阵列，并且其包括三个可调多层电容器。电容器阵列的总长度约为12.7毫米(0.5英寸)，总宽度约为12.7毫米(0.5英寸)，总高度约为3.1毫米(0.12英寸)。
阵列的三个电容器中的每一个包括包括钛酸钡的介电材料。每个介电层具有约50μm的厚度。交替有54个有源电极和55个偏置电极。每个电容器的电容约为1.8μF。
在有源端子16、19上(通过第一和第二引线框4002、4004)施加振幅为1V、频率为1KHz的交流正弦信号。在DC偏置端子30、32上(经由第一和第二单引线4006、4008)施加各种DC偏置电压水平。
图13示出了在范围为0V至200V的DC偏置电压水平下在第一和第二引线框4002、4004上的堆叠电容器阵列的测量电容。如图13中所示，在有源端子16、19之间的测量电容从0V的DC偏置电压下的5.47μF减小到在200V的DC偏置电压下的约3.66μF。除了“可调性”参数外，在图13中绘制的测量电容值和所施加的DC偏置电压如下表所示。“可调性”参数被计算为每个直流偏置电压水平下的测量电容除以DC偏置电压0V下的初始电容(5.47μF)。
DC偏置电压(V) 可调性(％) 电容(μF)
0 100％ 5.47
10 100.9％ 5.52
20 100.9％ 5.52
30 100.4％ 5.49
40 99.6％ 5.45
50 98.4％ 5.38
60 96.9％ 5.30
70 95.2％ 5.21
80 93.2％ 5.10
90 91.0％ 4.98
100 88.7％ 4.85
110 85.9％ 4.70
120 83.5％ 4.57
130 79.9％ 4.37
140 77.7％ 4.25
150 75.7％ 4.14
160 73.9％ 4.04
170 72.2％ 3.95
180 70.4％ 3.85
190 68.6％ 3.75
200 66.9％ 3.66
表1：电容与DC偏置电压的关系
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可以实践本发明的这些及其他修改和变化。另外，应当理解，各个实施例的各方面可以全部或部分互换。此外，本领域普通技术人员将理解，前述描述仅是示例性的，并且无意于限制在所附权利要求中进一步描述的本发明。

Claims (23)

1.一种可调多层电容器，包括：
与第一有源端子电接触的第一有源电极；
与第二有源端子电接触的第二有源电极；
与第一DC偏置端子电接触的第一DC偏置电极；
与第二DC偏置端子电接触的第二DC偏置电极；以及
多个介电层，其设置在第一和第二有源电极之间以及在第一和第二偏置电极之间，其中，至少一部分介电层包含可调介电材料，在将所施加的DC电压施加在第一和第二DC偏置电极两端时，该可调介电材料表现出可变介电常数，并且其中，所述多个介电层中的至少一个的厚度大于约15微米。
2.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述多个介电层的厚度在约15微米至约150微米的范围内。
3.根据权利要求1所述的电容器，其中，所施加的DC偏置电压为约100V至约1000V。
4.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述电容器的长度为约7mm至约14mm。
5.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述电容器的宽度为约7mm至约14mm。
6.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述电容器的高度为约2mm至约5mm。
7.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述电容器的长度除以所述电容器的高度的比率在约3至约5的范围内。
8.根据权利要求1所述的电容器，其中，第一和第二有源电极的总数在约10至约100的范围内。
9.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述介电材料的电压可调系数为约10％至约95％，其中，所述电压可调系数根据以下一般公式确定：
T＝100x(ε0-εV)/ε0
其中，
T是电压可调系数；
ε0是没有所施加的电压时材料的静态介电常数；以及
εV是在施加所施加的电压(DC)后材料的可变介电常数。
10.根据权利要求9所述的电容器，其中，所述介电材料的静态介电常数为如在25℃的操作温度和1kHz的频率下根据ASTM D2149-13确定的约100至约10,000。
11.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述介电材料包括一个或多个铁电基相。
12.根据权利要求11所述的电容器，其中，所述介电材料是钙钛矿、钨青铜材料、层状结构材料或其组合。
13.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述第一和第二有源端子以及所述第一和第二偏置端子关于电容器对称地设置。
14.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述第一有源电极和第二有源电极之间的距离与所述第一偏置电极和第二偏置电极之间的距离大致相同。
15.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述第一有源电极和第二有源电极之间的距离大于所述第一偏置电极和第二偏置电极之间的距离。
16.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述电容器能够被调谐到范围为约200,000pF至约5,000,000pF的电容值。
17.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述电容器能够被调谐到约200,000pF或更小的电容值。
18.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述第一偏置电极包括延伸到所述第一DC偏置端子的接线片，所述第二偏置电极包括延伸到所述第二DC偏置端子的接线片，或其组合。
19.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述第一有源电极包括延伸至所述第一有源端子的接线片，所述第二有源电极包括延伸至所述第二有源端子的接线片，或其组合。
20.一种电路，包括根据权利要求1的电容器以及通过所述第一和第二DC偏置端子向所述电容器提供DC偏置电压的电源。
21.一种堆叠电容器阵列，包括根据权利要求1的电容器以及与每个第一有源端子连接的第一引线框和与每个第二有源端子连接的第二引线框。
22.根据权利要求21所述的堆叠电容器阵列，还包括与每个第一DC偏置端子连接的第一单引线和与第二DC偏置端子连接的第二单引线。
23.一种可调多层电容器，包括：
与第一有源端子电接触的第一有源电极；
与第二有源端子电接触的第二有源电极；
与第一DC偏置端子电接触的第一DC偏置电极；
与第二DC偏置端子电接触的第二DC偏置电极；以及
多个介电层，其设置在第一和第二有源电极之间以及在第一和第二偏置电极之间，其中，至少一部分介电层包含可调介电材料，在将所施加的DC电压施加在第一和第二DC偏置电极两端时，该可调介电材料表现出可变介电常数，并且其中，所施加的DC电压大于约100V，但不超过可调介电材料的击穿电压的约50％。
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