CN1215933A - 多层薄膜电极、高频传输线、高频谐振器和高频滤波器 - Google Patents

多层薄膜电极、高频传输线、高频谐振器和高频滤波器 Download PDF

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Abstract

一种多层薄膜电极,包括:电介质基板;设置在电介质基板背面的接地导体;以及交替地层叠在电介质基板正面的多层薄膜导电层和介质层。接地导体、薄膜导电层中与电介质基板接触的一层和介于二者之间的电介质基板形成TEM模主传输线;另外的每一薄膜介质层与把该薄膜介质层夹在当中的一对薄膜导电层形成TEM模副传输线。每一薄膜介质层的厚度和介电常数设定为使通过TEM模主传输线和TEM模副传输线传播的波的相速度基本上相互相等。每一薄膜导电层的厚度设定为一预定值,该值小于预定工作频率下的趋肤深度,使得TEM模主传输线及其相邻TEM模副传输线之间以及第一对相邻TEM模副传输线之间的电磁场相互耦合。至少薄膜介质层中最靠近所述电介质基板的一层的厚度大于其它薄膜介质层的厚度。

Description

多层薄膜电极、高频传输线、高频谐振器和高频滤波器
本发明涉及多层薄膜电极，还涉及高频传输线、高频谐振器、高频滤波器以及包括多层薄膜电极的器件。
随着超小型电子元件的近期进展，在微波、亚毫米波或毫米波的高频频段，一直试图采用高介电常数的材料来实现器件的超小型化。然而，如果采用高介电常数的材料来减小器件的尺寸，能量损耗随体积的立方根反比增大。高频器件中的能量损耗一般可以分为趋肤效应引起的传导损耗和电介质材料引起的电介质损耗两类。最近，具有高介电常数同时具有低损耗特性的电介质材料已经投入实用，因此，同电介质损耗相比，传导损耗在能量损耗中占主导地位。
在这种情况下，本发明的受让人在PCT专利公布号WO95/06336中揭示了一种能够降低高频频段中传导损耗的多层薄膜电极，还揭示了一种使多层薄膜电极中每一层的厚度在特定工作频率下达到最佳值的设计方法。图4是二分之一波长传输线型谐振器101的透视图，它包含依照PCT公布号为WO95/06336的专利中所揭示的设计方法形成的多层薄膜电极103。
如图4所示，二分之一波长传输线型谐振器101包括电介质基板102，在其整个背面上设置有接地导体106，和多层薄膜条形电极103，置于电介质基板102上，其纵向长度为λg/2(λg为波导波长)。
如图5所示，在多层薄膜电极103中，在电介质基板102的表面上形成薄膜导电层104a，在薄膜导电层104a上淀积薄膜介质层105a。尔后，交替地依次层叠薄膜导电层104b、104c和104d和薄膜介质层105b和105c，从而形成多层薄膜电极103。将多层薄膜电极103的纵向长度设定为所需频率的二分之一波长，使其起谐振器的作用。
目前，TEM模微带线(以下称之为主传输线)107是由薄膜导电层104a、接地导体106(图4)和电介质基板102形成的。此外，在主传输线107上，由夹在一对薄膜导电层104a和104b之间的薄膜介质层105a形成了TEM模副传输线。薄膜介质层105b和105c同样形成副传输线。至于传统的多层薄膜电极103，采用了PCT公布号为WO95/06336专利中揭示的方法：
(a)薄膜介质层105a、105b和105c的厚度和介电常数ε设定为使通过主传输线107和各个副传输线传播的TEM波的相速度基本相互相等；
(b)薄膜导电层104a、104b和104c的厚度设定为小于工作频率趋肤深度的预定厚度，使得主传输线107及其相邻副传输线之间以及各个副传输线之间的电磁场相互耦合。
于是，通过主传输线107流动的一部分高频能量被传送到副传输线，高频电流流过薄膜导电层104a、104b、104c和104d的每一层，因此，能够基本上抑制电极在高频区中的趋肤效应。
依照PCT公布号为WO95/06336专利中揭示的多层薄膜电极，在多层薄膜电极是在平整表面的电介质基板(例如由单晶氧化铝组成的镜面抛光的蓝宝石基板)102上形成的前提下，可以设定薄膜导电层和薄膜介质层每一层的厚度。
然而，在采用例如陶瓷基板作电介质基板的情况中，由于存在孔或类似缺陷，基板的表面是不平整的或者说是粗糙的。尽管通过例如表面抛光处理可以使不平整度达到一定平面程度，但是，由于基板中和表面上存在许多孔，而且在抛光处理期间还会露出新的孔，不能使基板表面有效地抛光。图6是在不平整电介质基板上形成多层薄膜电极的分层结构的截面图。如图6所示，由于基板的不平整性，薄膜导电层和薄膜介质层都是不平整的。如果每一层都是以这种方式不平整地形成，那么，通过主传输线和各个副传输线传播的TEM波的相速度不能象原先设计的那样是相等的。此外，当在不平整的基板上淀积薄膜时，在淀积过程中两个相邻的薄膜导电层容易短路。这种情况会明显地影响多层薄膜电极对趋肤效应的有效抑制。
本发明克服了上述技术问题。即使多层薄膜电极是在表面不平整的电介质基板上形成的，依照本发明所实现的多层薄膜电极能够很好地抑制趋肤效应，各个薄膜导电层不会相互短路。
根据本发明一个方面的多层薄膜电极包括：电介质基板；设置在电介质基板背面上的接地导体；以及交替地层叠在电介质基板正面上的多层薄膜导电层和介质层。接地导体、与电介质基板接触的一层薄膜导电层和介于二者之间的电介质基板形成主传输线或谐振器；每一薄膜介质层与把该薄膜介质层夹在当中的一对薄膜导电层形成副传输线或副谐振器。每一薄膜介质层的厚度和介电常数设定为使通过主传输线或谐振器和副传输线或副谐振器传播的波的相速度基本上相互相等。每一薄膜导电层的厚度设定为小于预定工作频率下趋肤深度的预定值，使得主传输线或谐振器及其相邻副传输线或副谐振器之间以及每一对相邻副传输线或副谐振器之间的电磁场相互耦合。薄膜介质层中最靠近电介质基板的至少一层的厚度要大于其它薄膜介质层的厚度。
最靠近电介质基板的薄膜介质层的介电常数最好也大于其它薄膜介质层的介电常数。
与电介质基板接触的薄膜导电层的厚度和最靠近电介质基板的薄膜介质层的厚度之和最好为电介质基板正面存在的孔的直径的至少1.5倍。
根据本发明的另一个方面，最靠近电介质基板的薄膜介质层和次靠近电介质基板的薄膜介质层的厚度都大于其它薄膜介质层的厚度，介电常数最好也是如此。
最靠近电介质基板的薄膜介质层的厚度、次靠近电介质基板的薄膜介质层的厚度、与电介质基板接触的薄膜导电层的厚度、以及一层介于最靠近电介质基板的薄膜介质层与次靠近电介质基板的薄膜介质层之间的薄膜导电层的厚度之和至少为电介质基板正面上孔直径的1.5倍。
本发明的多层薄膜电极可以用作高频传输线、高频谐振器或高频滤波器。
为了说明本发明，示出了几个较佳实施例的附图，然而，这只是便于理解，本发明并不限于所示的这些配置和手段。
图1是包含本发明第一实施例多层薄膜电极的谐振器的透视图。
图2是在不平整电介质基板上形成的多层薄膜电极第一实施例的平面图。
图3是在不平整电介质基板上形成的多层薄膜电极第二实施例的平面图。
图4是包含传统多层薄膜电极的谐振器的透视图。
图5是在平整电介质基板上形成的传统多层薄膜电极的截面图。
图6是在不平整电介质基板上形成的传统多层薄膜电极的截面图。
以下参照附图详细说明本发明的较佳实施例。
例1
参考图1和2说明本发明多层薄膜电极的第一实施例。
图1是二分之一波长传输线型谐振器1的透视图，其中包括多层薄膜电极3。二分之一波长传输线型谐振器1包括整个背面上设置有接地导体6的电介质基板2和置于电介质基板2上的条形多层薄膜电极3。多层薄膜电极3的纵向长度为λg/2(λg为波导波长)。
电介质基板2是主要成分为ZnxSn1-xTiO4(0≤x≤1)(以下称为(Zn,Sn)TiO4)的电介质陶瓷基板，其介电常数为38，基板中有许多直径约为1.0μm的孔。由于存在孔或类似缺陷，电介质基板2的表面是不平整的或者是粗糙的，高度约为1μm。
在电介质基板2上形成图2所示分层结构的多层薄膜电极3。多层薄膜电极3包括交替层叠的由诸如Cu的金属材料组成的薄膜导电层4a、4b、4c和4d以及由电介质材料组成的薄膜介质层5a、5b和5c。每一层可以采用例如溅射方法淀积形成。
表1列出了这个例子中多层薄膜电极3的薄膜结构，所选工作频率为3GHz。
                                  表1
        层    符号    材料  相对介电常数     厚度
  第四薄膜导电层     4d     Cu        -    3.0μm
  第三薄膜介质层     5c    SiO2        4    0.40μm
  第三薄膜导电层     4c     Cu        -    0.53μm
  第二薄膜介质层     5b    SiO2        4    0.40μm
  第二薄膜导电层     4b     Cu        -    0.53μm
  第一薄膜介质层     5a    Al2O3       10    1.22μm
  第一薄膜导电层     4a     Cu        -    0.53μm
作为一个比较例，对于多层薄膜电极，其中仅采用相对介电常数为4的SiO2作为薄膜介质层，表2示出了按照PCT公布号为WO95/06336专利中揭示的方法设计的值，所选工作频率也为3GHz。
                        表2
         层   材料  相对介电常数     厚度
   第四薄膜导电层    Cu        -    3.0μm
   第三薄膜介质层   SiO2        4    0.40μm
   第三薄膜导电层    Cu        -    0.53μm
   第二薄障介质层   SiO2        4    0.40μm
   第二薄膜导由层    Cu        -    0.53μm
   第一薄膜介质层   SiO2        4    0.40μm
   第一薄膜导电层    Cu        -    0.53μm
正如从表1中看到的，对于这个例子中的多层薄膜电极3，最靠近电介质基板2表面的第一薄膜介质层5a是由不同于其它薄膜介质层5b和5c的材料形成的，与其它薄膜介质层5b和5c相比，形成的厚度更大一些。其原因是通过形成较厚的薄膜层使电介质基板2的表面变平整。
根据本发明人的深入研究，在表面上有孔的基板上淀积薄膜的情况中，如果薄膜的厚度是平均孔直径的至少1.5倍，可以使不平整的表面变平整，薄膜的上表面变得平坦又光滑。
因此，有可能在电介质基板上形成平整层，使得平整层的厚度大于电介质基板表面上的孔直径。然而，由于这一平整层的存在，使多层薄膜电极的设计变得复杂。还有一个缺点是需要增加一道形成平整层的生产步骤。
考虑到以上情况，本发明人发现，最靠近电介质基板的第一薄膜介质层由介电常数较大的材料来形成并且使厚度较大是有利的，因此，如上所述，最靠近电介质基板的薄膜介质层提供了平整的上表面。参考表1和图2，按照图示的结构，由于第一薄膜介质层5a和第一薄膜导电层4a的厚度之和大于不平整度(高约1μm)的1.5倍，薄膜介质层5b和5c以及薄膜导电层4b、4c和4d变平坦，因此阻止薄膜导电层4b、4c和4d短路。注意，尽管薄膜导电层4a是不平整的，由于薄膜介质层5a较厚，可以阻止薄膜导电层4a与薄膜导电层4b短路。
当如上所述形成较厚的薄膜介质层5a时，必须根据厚度变化改变所用的电介质材料。即，随着薄膜介质层厚度的变化，通过由薄膜介质层形成的传输线传播的TEM波的相速度发生变化。如果通过传输线传播的TEM波的相速度发生变化，那么，该TEM波与通过其它传输线传播的其它TEM波之间就存在相速度漂移，因此，薄膜介质电极不能实现所需的低损耗操作。因此，当薄膜介质层的厚度变化时，必须调节电介质材料的相对介电常数，使得通过各个传输线传播的TEM波的相速度基本上相等。
为了确定对应于薄膜厚度的最佳相对介电常数，可以采用以下的比例方程式：
Figure A9812154300101
式中：εan：第n层薄膜介质层的相对介电常数
      dn：第n层薄膜介质层的厚度
      εm：电介质基板的相对介电常数
按照PCT公布号为WO95/06336专利中揭示的设计方法，当在相对介电常数为38的基板上用相对介电常数为4的SiO2形成厚度为0.4μm的薄膜介质层时，能够使各个传输线的相速度相等(参考表2)。根据方程式(1)表示的正比关系，当利用相对介电常数约为10的电介质材料在相对介电常数为38的基板上形成厚度约为1.0μm的薄膜介质层时，可以使相速度相等。于是，为了设计薄膜介质层5a，可以形成厚度约为1.22μm的相对介电常数为10的介质材料，例如Al2O3。
如上所述，由于靠近电介质基板形成的薄膜介质层较厚，从而使基板表面的不平整性平整化，此外，使厚度和相对介电常数的设定值满足上述正比关系式(1)，能够形成多层薄膜电极，消除基板不平整度的影响，使通过各个传输线传播的TEM波的相速度相等。此外，由于通过增大介质层的厚度使不平整性平整化，能够显著地减少在淀积过程期间出现的各个薄膜导电层之间的短路。
例2
参考图3将描述本发明多层薄膜电极的第二个实施例。
在这个例子中，电介质基板12中孔的直径尺寸约为2.0μm，电介质基板12表面上的不平整度高度约为2.0μm。因此，为了使基板表面的不平整度平整化，必须在基板表面上先形成约3.0μm的淀积层。
表3列出了在3GHz频率下工作的多层薄膜电极13的薄膜结构。
                            表3
       层    符号    材料  相对介电常数     厚度
 第四薄膜导电层    14d     Cu       -    3.0μm
 第三薄膜介质层    15c    SiO2       4   0.40μm
 第三薄膜导电层    14c     Cu       -   0.53μm
 第二薄膜介质层    15b   Al2O3       10   1.22μm
 第二薄膜导由层    14b     Cu       -   0.53μm
 第一薄膜介质层    15a   Al2O3       10   1.22μm
 第一薄膜导电层    14a     Cu       -   0.53μm
正如从表3中看到的，对于本例子中的多层薄膜电极13，靠近电介质基板12的两层，即薄膜介质层15a和15b形成得较厚，从而消除了电介质基板12的不平整性。
另一方面，在这个例子中，仅仅使最靠近电介质基板的薄膜介质层15a形成得较厚，从而以类似例1中的方式使基板表面的不平整性平整化。在这种情况中，形成的第一薄膜介质层15a的厚度必须达到约2.5μm。为了使2.5μm厚度下的相速度与其它传输线的相速度相匹配，根据上述的正比关系式(1)，必须采用相对介电常数为16的电介质材料。然而，目前没有相对介电常数为16以及适合于通过溅射方法形成淀积层的电介质材料。于是，在这种情况下，通过调节靠近基板表面的多层薄膜介质层的厚度以及采用合适的溅射材料，可以消除基板表面的不平整性。尽管最靠近基板表面的薄膜介质层并不能象例1中看到的那样使基板表面的不平整度完全平整化(留一点不平整度)，但是，能够在一定程度上消除基板的不平整性，在实际应用中不会产生问题。
其它例子
本发明并不限于上述的两个例子，在不偏离本发明精神的范围内，可以作出各种改进变化。例如，上述举例虽然是针对包括本发明多层薄膜电极的高频二分之一波长传输线型谐振器的，但是，通过设置图1中以标号8表示的输入和输出电极，谐振器也可以起高频滤波器的作用。另外，可以将多个谐振器置于一块电介质基板上，制备一个多级滤波器。再有，可以采用本发明的多层薄膜电极作传输线。
此外，尽管在上述例子中所述的多层薄膜电极被构造成具有TEM模主传输线和TEM模副传输线，但是，采用WO95/06336中所揭示的设计方法，可以将本发明的多层薄膜电极构造成包括TM模主谐振器和TM模副谐振器。
如上所述，根据本发明的多层薄膜电极，能够取得下列许多好处。
即，根据上述的正比关系式(1)选择所用的电介质材料的相对介电常数，能够形成较厚的靠近介质基板的薄膜介质层，因此，能够形成消除基板不平整性影响的多层薄膜电极，能够使通过各个传输线传播的TEM波的相速度象原先设计的那样相等。此外，由于基板的不平整性得到抵消和平整化，因此，在每一层的淀积过程中不存在薄膜导电层之间短路的可能性。另外，根据上述正比关系式(1)调节厚度的薄膜介质层不限于最靠近基板表面的这层薄膜介质层，可以根据需要调节多层薄膜介质层的厚度。这扩展了能够被用作使基板不平整性平整化的电介质材料的选择范围。
此外，采用上述的多层薄膜电极，能够获得多层薄膜电极带来的低损耗操作的高频传输线、高频谐振器和高频滤波器。
在揭示了本发明的较佳实施例的同时，在以下权利要求书的范围内能够设想利用这里所揭示的基本原理进行的各种改进模式。因此，应当明白，本发明的范围不受公开的实施例所限制。

Claims (12)

1．一种多层薄膜电极，包括：
电介质基板；
设置在所述电介质基板背面的接地导体；
交替地层叠在所述电介质基板正面的多层薄膜导电层和电介质层，
其特征在于：所述接地导体、所述薄膜导电层中与所述电介质基板接触的一层导电层和介于二者之间的电介质基板形成主传输线或谐振器；另外的每一薄膜介质层与把所述薄膜介质层夹在当中的一对薄膜导电层形成副传输线或副谐振器；
每一薄膜介质层的厚度和介电常数设定为使通过主传输线或谐振器和副传输线或副谐振器传播的波的相速度基本上相互相等；
每一薄膜导电层的厚度设定为一预定值，该值小于预定工作频率下的趋肤深度，使得主传输线或谐振器及其相邻副传输线或副谐振器之间以及每一对相邻副传输线或副谐振器之间的电磁场相互耦合；
薄膜介质层中最靠近所述电介质基板的一层的厚度大于其它薄膜介质层的厚度。
2．如权利要求1所述的多层薄膜电极，其特征在于：所述的最靠近电介质基板的薄膜介质层的介电常数大于其它薄膜介质层的介电常数。
3．如权利要求2所述的多层薄膜电极，其特征在于：所述电介质基板的正面有孔，与电介质基板接触的薄膜导电层的厚度和最靠近电介质基板的薄膜介质层的厚度之和至少为所述孔直径的1.5倍。
4．如权利要求1所述的多层薄膜电极，其特征在于：所述电介质基板的正面有孔，与电介质基板接触的薄膜导电层的厚度和最靠近电介质基板的薄膜介质层的厚度之和至少为所述孔直径的1.5倍。
5．如权利要求1所述的多层薄膜电极，其特征在于：所述的最靠近电介质基板的薄膜介质层和次靠近电介质基板的薄膜介质层的厚度都大于其它薄膜介质层的厚度。
6．如权利要求5所述的多层薄膜电极，其特征在于：所述的最靠近和次靠近的薄膜介质层的介电常数大于其它薄膜介质层的介电常数。
7．如权利要求6所述的多层薄膜电极，其特征在于：最靠近电介质基板的薄膜介质层的厚度、次靠近电介质基板的薄膜介质层的厚度、与电介质基板接触的薄膜导电层的厚度以及最靠近电介质基板的薄膜介质层与次靠近电介质基板的薄膜介质层之间的薄膜导电层之一的厚度之和至少为电介质基板正面孔直径的1.5倍。
8．如权利要求5所述的多层薄膜电极，其特征在于：最靠近电介质基板的薄膜介质层的厚度、次靠近电介质基板的薄膜介质层的厚度、与电介质基板接触的薄膜导电层的厚度以及最靠近电介质基板的薄膜介质层与次靠近电介质基板的薄膜介质层之间的薄膜导电层之一的厚度之和至少为电介质基板正面孔直径的1.5倍。
9．如权利要求1所述的多层薄膜电极，其特征在于：最靠近电介质基板的薄膜介质层的厚度、次靠近电介质基板的薄膜介质层的厚度、与电介质基板接触的薄膜导电层的厚度以及最靠近电介质基板的薄膜介质层与次靠近电介质基板的薄膜介质层之间的薄膜导电层之一的厚度之和至少为电介质基板正面孔直径的1.5倍。
10．一种高频滤波器，包括：
多层薄膜电极，它包括：
电介质基板；
设置在所述电介质基板背面的接地导体；
交替地层叠在所述电介质基板正面的多层薄膜导电层和电介质层，
其特征在于：所述接地导体、所述薄膜导电层中与所述电介质基板接触的一层导电层和介于二者之间的电介质基板形成主传输线或谐振器；另外的每一薄膜介质层与把所述薄膜介质层夹在当中的一对薄膜导电层形成副传输线或副谐振器；
每一薄膜介质层的厚度和介电常数设定为使通过主传输线或谐振器和副传输线或副谐振器传播的波的相速度基本上相互相等；
每一薄膜导电层的厚度设定为一预定值，该值小于预定工作频率下的趋肤深度，使得主传输线或谐振器及其相邻副传输线或副谐振器之间以及每一对相邻副传输线或副谐振器之间的电磁场相互耦合；
薄膜介质层中最靠近所述电介质基板的一层的厚度大于其它薄膜介质层的厚度；
所述的多层薄膜电极有两个端部；
设置分别与所述的两端部电磁耦合的输入端子和输出端子。
11．一种高频传输线，其特征在于：它包括如权利要求1所述的多层薄膜电极。
12．一种高频谐振器，其特征在于：它包括如权利要求1所述的多层薄膜电极。
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