CN1325552A - 带有内装直流阻塞的铁电可变电抗器 - Google Patents

Abstract

一种电压可调节介电可变电抗器,包括一个可调节铁电层和第一与第二不可调节介电层。相邻可调节铁电层设置的第一和第二电极形成一个可调节电容器。一个第三电极相邻第一不可调节介电层设置,从而第三和第一电极及第一不可调节介电层形成一个第一阻塞电容器。一个第四电极相邻第二不可调节介电层设置,从而第四和第二电极及第二不可调节介电层形成一个第二阻塞电容器。

Description

带有内装直流阻塞的铁电可变电抗器

本申请要求提出于1998年11月9日提交的美国临时专利申请No.60/107,684的优先权。

本发明一般涉及带有有关直流阻塞电容器的电压可调的可变电抗器。

可变电抗器是其中电容取决于施加到其上的电压的电压可调节电容器。该特性能在诸如滤波器、移相器等之类的电气调谐射频(RF)电路中找到用途。最常用的可变电抗器是半导体二极管可变电抗器，该可变电抗器具有高可调能力和低调谐电压的优点，但具有低Q、低功率处理能力、及有限电容范围的缺点。一种新型的可变电抗器是一种其中通过借助于改变偏置电压改变一种铁电材料的介电常数而调节电容的铁电可变电抗器。铁电可变电抗器具有高Q、大功率处理能力、及大电容范围。

一种铁电可变电抗器公开在Thomas E.Koscica等的名称为“薄膜铁电可变电抗器(Thin Film Ferroelectric Varactor)”的美国专利No.5,640,042中。该专利公开了一种平面铁电可变电抗器，该可变电抗器包括一个载波基片层、一个沉积在基片上的高温超导金属层、一种点阵匹配、一个沉积在金属层上的薄膜铁电层、及沉积在铁电层上且与调谐器件中的射频(RF)传输线相接触的多个金属导体。使用与一个超导元件相结合的一个铁电元件的另一种可调节电容器公开在美国专利No.5,721,194中。利用一个铁电层的可调节可变电抗器、和包括这种可变电抗器的各种器件，也公开在标题为“电压可调节可变电抗器和包括这种可变电抗器的可调节器件(VoltageTunable Varactors And Tunable Devices Including SuchVaractors)”、提出于1999年10月15日、及转让给本发明的同一受让人的美国专利申请No.__中。

当在各种器件中使用这样的可变电抗器时，必须把直流阻塞电容器插入在RF传输线中以把直流偏置电压与RF系统的其他部分相隔离。在传输线上的这些直流阻塞可能导致对于RF系统的另外插入损失、和在RF系统的设计和结构中的不便。

对于在VHF、UHF、微波及其他可调节电路中的用途，如滤波器、相移器、压控振荡器等，需要这样的可变电抗器：具有减小的直流阻塞插入损失，而具有高可调节能力。

按照本发明的一种电压可调节介电可变电抗器组件包括一个可调节铁电层和第一与第二不可调节介电层。相邻可调节铁电层设置的第一和第二电极形成一个可调节电容器。第一和第二电极也相邻第一和第二不可调节层分别设置。一个第三电极相邻第一不可调节介电层设置，从而第三和第一电极及第一不可调节介电层形成一个第一阻塞电容器。一个第四电极相邻第二不可调节介电层设置，从而第四和第二电极及第二不可调节介电层形成一个第二阻塞电容器。

在一个实施例中，电压可调节介电可变电抗器包括一个具有一个一般为平坦的表面的基片、和一个设置在基片的一般为平坦的表面上的可调节铁电层。第一和第二电极设置在相对着基片的一般为平坦的表面的可调节铁电层的一个表面上，使第一和第二电极分离以形成一个第一间隙。第一和第二不可调节介电层也设置在基片的一般为平坦的表面上。一个第三电极设置在相对着基片的一般为平坦的表面的第一不可调节介电层的表面上，从而第三和第一电极形成一个第二间隙。一个第四电极设置在相对着基片的一般为平坦的表面的第二不可调节介电层的表面上，从而第四和第二电极形成一个第三间隙。

在另一个实施例中，电压可调节介电可变电抗器包括一个可调节铁电层和第一与第二不可调节介电层。可调节层设置在第一与第二电极之间以形成一个可调节电容器。第一不可调节层设置在第一电极与一个第三电极之间以形成一个第一阻塞电容器。第二不可调节层设置在第二电极与一个第四电极之间以形成一个第二阻塞电容器。

本发明的铁电可变电抗器组件能用来在各种微波器件中、和在诸如可调节滤波器之类的其他器件中产生相位移。

当结合附图阅读时从最佳实施例的如下描述能得到本发明的充分理解，在附图中：

图1是按照本发明建造的带有内装直流阻塞电容器的一种平面可变电抗器组件的俯视图；

图2是沿线2-2得到的、图1的可变电抗器组件的剖视图；

图3是带有图1和2内装直流阻塞电容器的可变电抗器的等效电路；

图4是对于按照本发明建造的一种可变电抗器组件可调节能力与电容比值的关系曲线；

图5是按照本发明另一个实施例建造的带有内装直流阻塞电容器的一种可变电抗器组件的俯视图；

图6是沿线6-6得到的、图5的可变电抗器组件的剖视图；

图7是按照本发明另一个实施例建造的带有内装直流阻塞电容器的一种可变电抗器组件的俯视图；及

图8是沿线8-8得到的、图7的可变电抗器组件的剖视图。

参照附图，图1和2是按照本发明的一种可变电抗器组件10的俯视和剖视图。可变电抗器组件10包括一个带有一般平面上表面14的基片12。一个可调节铁电层16相邻基片的上表面设置。金属电极18和20设置在铁电层的顶部上。电极18和20成形为带有凸块22和24。这些凸块的端部在可调节铁电层的表面上形成一个间隙26。电极28和20的组合、及可调节铁电层16形成一个可调节电容器54。可调节电容器的电容能通过把一个偏置电压施加到电极18和20上而改变。

在该最佳实施例中，基片12由一种具有较低介电常数的材料组成，如MgO、氧化铝、LaAlO₃、蓝宝石、或陶瓷。对本发明来说，低介电常数是小于约30的介电常数。在该最佳实施例中，可调节铁电层16由一种具有从约20至约2000范围内的介电常数、且在约10V/μm的偏置电压下具有从约10％至约80％范围内的可调节能力的材料组成。可调节铁电层能由钛酸钡锶(Barium-Strontium Titanate)Ba_xSr_1-xTiO₃(BSTO)、或BSTO合成陶瓷组成，其中x能在从零至1的范围内。这样的BSTO合成物的例子包括但不限于：BSTO-MgO、BSTO-MgAl₂O₄、BSTO-CaTiO₃、BSTO-MgTiO₃、BSTO-MgSrZrTiO₆、及其组合。铁电电容器的介电膜可以通过丝网印刷机、激光烧蚀、金属-有机溶液沉积、溅射、或化学气相淀积技术而沉积。在一个最佳实施例中的可调节层当经受典型直流偏置电压，例如范围从约5伏特至约300伏特的电压时，具有大于100的介电常数。必须优化间隙宽度，以便增大最大电容C_max与最小电容C_min的比值(C_max/C_min)并且增大器件的品质因数(Q)。该间隙的宽度对可变电抗器参数具有最大的影响。由在其下器件具有最大C_max/C_min和最小损失角正切的宽度确定最佳宽度g。

一个可控制电压源28由线30和32连接到电极18和20上。该电压源用来向铁电层供给一个直流偏置电压，由此控制层的介电常数。可变电抗器组件进一步包括相邻基片12的一般为平坦的表面和在可调节铁电层16的相对侧设置的第一和第二不可调节介电层34和36。电极18在不可调节材料34的上表面的一部分上延伸。电极38相邻不可调节层34的上表面设置，从而一个间隙40形成在电极18与34之间。电极18和34及不可调节层34的组合形成一个第一直流阻塞电容器42。该可变电抗器组件也包括一个RF输入30和一个RF输出32。

电极44相邻不可调节层的一个上表面设置，从而一个间隙46形成在电极20与44之间。电极20和44及不可调节层36的组合形成一个第二直流阻塞电容器48。直流阻塞电容器的介电膜可以通过丝网印刷机、激光烧蚀、金属-有机溶液沉积、溅射、或化学气相淀积技术而沉积。

一个RF输入50连接到电极38上。一个RF输出52连接到电极44上。RF输入和输出通过焊接或粘结连接分别连接到电极38和44上。在直流阻塞电容器42和48中的不可调节介电层34和36由诸如BSTO合成物之类的高介电常数材料组成。直流阻塞电容器42和48与可调节电容器54串联电气连接，以把直流偏压与可变电抗器组件10的外侧相隔离。为了增大两个直流阻塞电容器42和48的电容，电极具有图1中所示的指状组合型排列。

在最佳实施例中，可变电抗器可以使用5-50μm的间隙宽度。铁电层的厚度在从约0.1μm至约20μm的范围内。一种密封胶能插入在间隙中以增大击穿电压。该密封胶能是具有高介电击穿强度以允许高电压施加而不会跨过间隙起弧的任何非传导材料，例如环氧树脂或聚氨基甲酸乙酯。

本发明的可变电抗器组件的等效电路表示在图3中。该电路包括一个串联连接到在本例子中具有相等电容的两个不可调节直流阻塞电容器C₂上的可调节电容器C₁。因此，可变电抗器组件的合成电容器C₁表示为 $\frac{1}{C_l}=\frac{1}{C_1}+\frac{2}{C_2}---\left(1\right)$ 或 $\frac{C_l}{C_1}=\frac{1}{1+\frac{2C_1}{C_2}}---\left(2\right)$

这里C₁是可调节电容器的电容，而C₂是直流阻塞电容器的电容。在如下情况下：

C₁＜＜C₂     (3)

公式(2)给出：

C_l≈C₁       (4)

合成电容器的可调节能力与电容器C₁的可调节能力有关。材料的可调节能力t能定义为 $t=\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\frac{{\mathrm{d\ϵ}}_r}{\mathrm{dE}}---\left(5\right)$ 其中ε_r是材料的介电常数，而E是施加场的强度。在其中使用可调节材料的电容器的情况下，电容器的电容C经常随介电常数线性地变化，即：

C=aε_r    (6)

其中a是与几何结构有关的一个电容器参量常数，如面积、厚度等。可调节能力然后能表示为： $t=\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\frac{{\mathrm{d\ϵ}}_r}{\mathrm{dE}}=\frac{1}{C}\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dE}}---\left(7\right)$

如果C₁是具有可调节能力t₁的一个电容器，而C₂是一个不可调节电容器，则可变电抗器组件的合成t_l能从公式(1)和公式(7)得到 $\frac{t_1}{C_1}=\frac{t_1}{C_1}---\left(8\right)$ 使用公式(2)，能重写公式(8)，从而： $\frac{t_1}{C_1}=\frac{t_1}{C_1}=\frac{1}{1+\frac{2C_1}{C_2}}---\left(9\right)$ 这里t_l是可变电抗器组件的合成可调节能力。公式(1)表示：C_l＜C₁         (10)由于C₁和C₂都是正数。因此，由公式(9)，t_l＜t₁         (11)如果应用公式(3)的条件(C₁＜＜C₂)，则t_l≈t₁    (12)图4用曲线表示公式(9)的关系。例如，能看到： $\frac{C_2}{C_1}=20$ ，我们有 $\frac{t_1}{t_l}=\frac{C_l}{C_1}=0.91$ 。及在 $\frac{C_2}{C_1}=40$ 处，我们有 $\frac{t_l}{t_1}=\frac{C_l}{C_1}=0.95$ 。

因此，如果C₂＞＞C₁，则合成电容C_l和可调节能力t_l大都由可调节电容器C₁确定。经本发明中的直流阻塞电容器的整体出现很小的辅助插入损失，因为直流阻塞电容器的电容远高于组件的可变电抗器部分的电容。本发明的可变电抗器组件的插入损失主要从可调节铁电电容器和其连接产生，因为可调节铁电电容器的电容远小于直流阻塞电容器的电容。

图5和6是具有平面电容器结构的一种可变电抗器组件56的俯视和剖视图。在图5和6中，一个电容器58是一个带有直流偏置金属层电极60和62的可调节平行板电容器，电极60和62分别带有偏置终端64和66。在电容器58中的可调节材料68可以是体积、带、或薄膜样式的BSTO基或相关材料。直流阻塞电容器70和72是平行板电容器，他们分别串联连接到可调节电容器58上。用在电容器70和72中的介电材料74和76是体积、带或膜样式的具有高介电常数的不可调节材料。直流阻塞电容器70和72的电容通过适当选择介电材料的介电常数和介电层的厚度，应该至少高于可调节电容器58的电容20倍。可变电抗器组件56的电极78和80经终端82和84连接到一个射频(RF)信号上。为了满足在公式(3)中C₂＞＞C₁的条件，对直流阻塞电容器70和72为了增大电容选择成，与可调节层68相比介电常数较高且不可调节层74较薄。

图7和8是表示按照本发明建造的一种可变电抗器组件86的第三实施例。可变电抗器组件86的结构类似于可变电抗器组件56的结构。然而，多层电容器用作可变电抗器组件86中的直流阻塞电容器以代替可变电抗器组件56中的单层直流阻塞电容器而增大电容。在该结构中的介电材料可以是带条、薄或厚的膜。在图7和8中，一个电容器88是一个带有直流偏置金属层电极90和92的可调节电容器，电极90和92分别带有偏置终端94和96。在电容器88中的可调节材料98可以是BSTO基或相关材料。多层直流阻塞电容器100和102分别串联连接到可调节电容器88上。用在电容器100和102中的介电材料是具有高介电常数的不可调节材料。直流阻塞电容器100和102的电容通过适当选择介电材料的介电常数、介电层的厚度、及介电层的数量，应该至少高于可调节电容器88的电容40倍。可变电抗器组件86的电极104和106经电极终端108和110连接到RF线上。

已经描述了一种带有内装直流阻塞的铁电可变电抗器组件，其中使用低损失和高可调节能力材料。内装直流阻塞电容器使可变电抗器更容易用在RF电路中，并且消除当使用常规可变电抗器时由常规直流阻塞电容器引起的插入损失。低损失和高可调节能力材料可以是钛酸钡锶(Barium-Strontium Titanate)、Ba_xSr_1-xTiO₃(BSTO)、或BSTO基合成物，其中x小于1。这些高质量材料可以显著改进本发明的可变电抗器性能。铁电可变电抗器可以由体积、薄膜、或厚膜铁电材料制成。

因而，本发明通过利用内装直流阻塞电容器和高质量可调节铁电材料，提供一种高性能铁电可变电抗器组件，消除了常规直流阻塞插入损失，及显著有利于RF电路设计和处理。本发明具有多种用途，并且公开器件的多种其他改进对于熟悉本专业的技术人员可能是显然的，而不脱离由如下权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (18)

1．一种电压可调节介电可变电抗器组件，包括：

一个可调节铁电层；

第一和第二电极，相邻形成一个可调节电容器的可调节铁电层设置；

一个第一不可调节介电层，相邻第一电极设置；

一个第三电极，相邻第一不可调节介电层设置，所述第三和第一电极及所述第一不可调节介电层形成一个第一阻塞电容器；

一个第二不可调节介电层，相邻第二电极设置；及

一个第四电极，相邻第二不可调节介电层设置，所述第四和第二电极及所述第二不可调节介电层形成一个第二阻塞电容器。

2．根据权利要求1所述的电压可调节介电可变电抗器组件，其中在所述第一与第二电极之间的电容比在所述第一与第三电极之间的电容小至少一个约20的因数。

3．根据权利要求1所述的电压可调节介电可变电抗器组件，其中可调节铁电层具有从约20至约2000范围内的介电常数、和在约10V/μm的偏置电压下从约10％至约80％范围内的可调节能力。

4．根据权利要求1所述的电压可调节介电可变电抗器组件，进一步包括一个用来支撑所述可调节铁电层和所述第一和第二不可调节介电层的基片。

5．根据权利要求4所述的电压可调节介电可变电抗器组件，其中基片包括如下组中的一种：MgO、氧化铝、LaAlO₃、蓝宝石、和陶瓷。

6．根据权利要求1所述的电压可调节介电可变电抗器组件，其中可调节铁电层包括如下之一：

一层可调节铁电厚膜；

一层可调节铁电块状陶瓷；及

一层可调节铁电薄膜。

7．一种电压可调节介电可变电抗器组件，包括：

一个基片，带有一个一般为平坦的表面；

一个可调节铁电层，设置在基片的一般为平坦的表面上；

第一和第二电极，设置在相对着基片的一般为平坦的表面的可调节铁电层的一个表面上，所述第一和第二电极分离以在其之间形成一个间隙；

第一和第二不可调节介电层，设置在基片的一般为平坦的表面上，其中第一不可调节介电层的一部分相邻第一电极设置，及其中第二不可调节介电层的一部分相邻第二电极设置；

一个第三电极，设置在相对着基片的一般为平坦的表面的第一不可调节介电层的表面上，所述第三和第一电极分离以在其之间形成一个第二间隙；及

一个第四电极，设置在相对着基片的一般为平坦的表面的第二不可调节介电层的表面上，所述第四和第二电极分离以在其之间形成一个第三间隙。

8．根据权利要求7所述的电压可调节介电可变电抗器组件，其中在所述第一与第二电极之间的电容比在所述第一与第三电极之间的电容小至少一个约20的因数。

9．根据权利要求7所述的电压可调节介电可变电抗器组件，其中所述第二和第三间隙是指状组合型间隙。

10．根据权利要求7所述的电压可调节介电可变电抗器组件，其中可调节铁电层具有从约20至约2000范围内的介电常数、和在约10V/μm的偏置电压下从约10％至约80％范围内的可调节能力。

11．根据权利要求7所述的电压可调节介电可变电抗器组件，其中基片包括如下组中的一种：MgO、氧化铝、LaAlO₃、蓝宝石、和陶瓷。

12．根据权利要求7所述的电压可调节介电可变电抗器组件，其中可调节铁电层包括如下之一：

一层可调节铁电厚膜；

一层可调节铁电块状陶瓷；及

一层可调节铁电薄膜。

13．根据权利要求7所述的电压可调节介电可变电抗器组件，其中可调节铁电层包括一个RF输入和一个RF输出以便在一个第一方向经可调节铁电层通过一个RF信号，及其中第一间隙在基本上垂直于第一方向的第二方向延伸。

14．一种电压可调节介电可变电抗器，包括：

一个可调节铁电层；

第一和第二电极，设置在可调节铁电层的相对侧上；

第一和第二不可调节介电层，其中第一不可调节介电层相邻第一电极设置，而其中第二不可调节介电层相邻第二电极设置；

一个第三电极，相邻相对着第一电极的第一不可调节介电层的一个表面设置；及

一个第四电极，相邻相对着第二电极的第二不可调节介电层的一个表面设置；

15．根据权利要求14所述的电压可调节介电可变电抗器组件，其中在所述第一与第二电极之间的电容比在所述第一与第三电极之间的电容小至少一个约20的因数。

16．根据权利要求14所述的电压可调节介电可变电抗器组件，其中可调节铁电层具有从约20至约2000范围内的介电常数、和在约10V/μm的偏置电压下从约10％至约80％范围内的可调节能力。

17．根据权利要求14所述的电压可调节介电可变电抗器组件，其中可调节铁电层包括如下之一：

一层可调节铁电厚膜；

一层可调节铁电块状陶瓷；及

一层可调节铁电薄膜。

18．根据权利要求14所述的电压可调节介电可变电抗器组件，进一步包括：

一种第一组辅助不可调节介电层，其中第三电极进一步相邻第一组辅助不可调节介电层的每个层的一个表面设置；和

一种第二组辅助不可调节介电层，其中第四电极进一步相邻第二组辅助不可调节介电层的每个层的一个表面设置。

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