CN1347577A - 可调谐微波设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一个电可调谐设备(10),具体地是用于微波的。它至少包括一个载体基底(1),传导装置(3A,3B)和至少一个可调谐铁电体层(2)。在传导装置(3A,3B)和可调谐铁电体层(2)之间放置有一个由薄膜结构构成的缓冲层(4)。

Description

可调谐微波设备
发明领域
本发明涉及具体对于微波的电可调谐设备，它是基于铁电体结构的。
现有技术状态
已知的电可调谐设备，诸如电容(变容二极管)和那些基于铁电体结构的电可调谐设备确实具有高的调谐范围，但是在微波频率的损耗太高，所以限制了它们的可应用性。在(没有和有施加电场的)介电常数的最大和最小值的典型比值范围为n＝1.5到3而在10Hz频率处的损耗的正切范围为0.02到0.05。这对于要求一个低损耗的微波应用并不令人满意。则需要一个大约为1000-2000的质量因子。WO94/13028公开了一个具有铁电体层的可调谐平面电容。然而，该电容在微波频率处的损耗也高。
US-A-5 640 042显示了另一个可调谐变容二极管。另外，在损耗太高的这种情形中，在介电材料-导体界面两端产生高损耗并且在导体之间的自由表面导致铁电材料在处理过程(蚀刻，图案化)中被暴露，这样，由于晶体结构被破坏，将产生损耗。
发明概述
因此，所需要的是一个具有高调谐范围以及在微波频率处的低损耗的可调谐微波设备。另外，还需要一个具有在微波频率高至，例如，1000-2000的质量因子的设备，其中铁电层被稳定化并且是一种具有时间稳定性的设备，即性能不随时间改变或恶化。
另外，还需要一种可防止在可调谐铁电材料中发生雪崩电击穿的设备。
此外，还需要一种易于制作的设备。还需要一种对于外部因素，诸如温度、湿度等不敏感的设备。因此，提供一个具体对于微波的电可调谐设备，包括一个载体基底，传导装置和至少一个可调谐铁电体层。在该/每一个(或至少一些)传导装置和一个可调谐铁电层之间提供了一个缓冲层结构，该缓冲层包括一个包含非铁电体材料的薄膜结构。
根据一个实施例，该薄膜结构包括一个薄的非铁电层。在另一个实施例中，该薄膜结构包括一个多层结构，该多层结构包括多个非铁电层。在再另一个实施例中，一个多层结构包括一些以一个可选方式来与铁电特层相排列的非铁电层，诸如非铁电体层的多层结构总是紧邻该/一个传导装置来配置。
在一个具体实施例中，该铁电层放置在载体基底顶部而包括一个或多个层的非铁电体薄膜结构被放置在铁电体层的顶部，传导装置依次被放置在非铁电体层的顶部。在另一个实施例中，铁电体层被放置在包括一个或多个非铁电体层的非铁电体层结构的上部，该非铁电体层被放置在传导装置上部。该传导装置具体包括(至少)两个纵向排列的电极，在这两个电极或导体之间有一个间隙。根据不同的实施例，非铁电体结构沉积在铁电体层之内或沉积在铁电体层之外。
非铁电体层的沉积可使用以使用诸如激光沉积、溅射、物理或化学汽相沉积等不同技术或通过使用熔胶-凝胶技术来实现。当然也可以使用其他合适的技术。
有利的，铁电体和非铁电体结构具有点阵匹配晶体结构。非铁电体结构还被特别地放置以覆盖在导体或电极之间的间隙。在具体实例中，该设备包括一个电可调谐电容或一个变容二极管。
在另一个实施例中，该设备包括配置在载体基底每一侧的两个铁电体材料层和两个传导装置，以一种方式放置在相应的铁电体和非铁电体结构之间的非铁电体薄膜结构，使得该设备形成一个谐振器。根据不同的实例，本发明的设备可以包括微波滤波器或被用于微波滤波器中。还有，诸如移相器的设备可以采用本发明的思想来提供。
可以使用不同的材料；铁电体材料的一个例子是STO(SrTiO3)。非铁电体材料例如可以包括CeO2或一个相似材料或SrTiO3，它以这样一种方式来沉积以使得它是非铁电体材料。使用所公开的这种设备的一个优点是在于无线通信系统中。
附图简述
下面参照附图以一种非限制性方式来描述本发明：
图1示出了根据本发明的第一实施例的可调谐设备的剖面图，
图2示意性的示出了与图1的实施例相似的平面电容器，
图3示出了本发明设备的第二实施例，
图4示出了另一个实施例，其中使用一个包括交替层的结构，
图5示出了根据本发明的第四实施例，
图6示意性的示出了作为对于一系列材料厚度的电容值函数的可调谐性的实验依据，和
图7示出当使用根据本发明的非铁电体材料时与损耗因子相关的实验结果。
发明详述
本发明公开了一种可以实现高可调谐性以及在微波频率的低损耗的设备。用一般术语，这是通过其中一个(或多个)薄膜非铁电体、介电层被放置在导电层和可调谐铁电体层之间的一种设计来实现的。该非铁电体层还用作在传导装置或电极之间的一个间隙中的铁电体层的覆盖。该非铁电体层可以通过激光沉积、溅射、物理汽相沉积、化学汽相沉积、溶胶或任何其他适宜的技术来沉积在铁电体层之内或外。该非铁电体层应该是定向的和具有与铁电体层的晶体结构相点阵匹配。此外，它应具有低微波损耗。在下面所述的或没有明确公开的所有实施例中，非铁电体层结构可以是单层结构或可以包括多层结构。
薄的非铁电体结构可以减少由于与铁电体层所产生的可调谐电容相串联的薄费铁电体结构的两个电容值的存在带来的总电容值。甚至即使总电容值减少，这是在大多数应用中所希望的，由于铁电体层的介电常数的变化将重新分布电场和和改变由于薄的非铁电体结构所引起的串联电容，因此可调谐性将只有较小的减少。
图1示出了根据本发明的一个设备10的第一实施例，该设备包括一个基底1或提供有一个可调谐的铁电体材料。在所述可调谐铁电体材料2上，例如使用如上所述的技术沉积有一个非铁电体层4。包括第一导体或电极3A和第二导体或电极3B的两个传导装置被放置在非铁电体层4上。在第一和第二电极3A，3B之间有一个间隙。如图所示，非铁电体结构4覆盖了横过在导体3A，3B之间的间隙的铁电体结构2。从而，铁电体结构4的表面被处于一种完成状态但还在处理中，即当制作设备时的非铁电体结构4所保护。因为铁电体结构2被以这种方式保护，则铁电体结构将是稳定的并且其性能将是时间稳定的，即不随时间而恶化。此外，由于在铁电体结构界面有更高的控制而在铁电体材料的表面层的缺陷更少，所以损耗将降低。替代两个电极，传导装置可以包括多于两个的电极，例如在电极3A，3B之间配置有一个或多个电极。
此外，非铁电体层将防止在可调谐铁电体材料中的雪崩式电击穿。
虽然，如图所示，非铁电体结构4只包括一层，应该理解，它也可以包括多层。
图2示出了一个与平面电容器20相关的实施例。与这一实施例有关，只给出了一些与仅仅用于示意性目的的尺度，数值等有关的附图。该设备包括一个基底1’，例如为具有例如0.5mm厚度H，和具有一个介电常数εs＝25的LaAlO3。在该基底顶部放置有一个例如为STO的铁电体层2’，该铁电体层具有一个hf为0.25μm的厚度和一个介电常数εf＝1500。其上放置了一个具有一个介电常数εd＝10的保护缓冲层4’，它是一个非铁电体层。
在图3中公开了一个可选设备30，其中包括多个子层的非铁电体结构4”被放置在传导电极3A’，3B’上部，而这两个传导电极被放置在基底1”上。非铁电体的多层结构被沉积在一个可调谐铁电体材料2”之上或之下。其工作过程基本与参照图1所描述的相同，除了由于铁电体层被放置在非铁电体层之上，即在电极之上，使得其结构与图1所示的相反。此外，非铁电体层包括多层结构。当然，在该实施例中，非铁电体层还可以包括单层。
图4示出料一个可调谐电容器40，其中一个结构包括以交替方式放置的铁电体层2A1，2A2，2A3和非铁电体层4A1，4A2，4A3。层数当然可以是任意的并不限于如图4所示的每种三层，主要是非铁电体层(在此为4A1)是与传导装置3A1，3B1相接触地放置，并且还覆盖在电极之间的间隙中的铁电体层(在此为2A1)。
这样一个交替放置结构当然还可以用于如图3所公开的“相反”结构中。
图5示出了另一个设备50，其中以电极形式的第一传导装置3A2，3B2被放置在非铁电体层4C上，该铁电体层4C依次沉积在一个铁电体，有源层2C上。在铁电体层2C之下，另一个非铁电体层4D被提供在第二传导装置3A3，3B3所放置的另一端，这两个传导装置被依次放置在一个基底1C之上。在此情形中，如图4所示，还使用了一个交替结构。
任何上述的材料还可以用于这些实例中。非铁电体材料可以是介电体，但是它不必是这种材料。它还可以是铁磁体。
任何实施例的有源铁电体层结构可以，例如，包括任何SrTiO3，BaTiO3，BaxSr1-xTiO3，PZT(锆钛酸铅)以及铁磁体材料。该缓冲层或保护性非铁电体结构可以，例如包括任何下列材料：CeO2，MgO，YSZ(钇稳化锆)，LaAlO3或其他具有适合的晶体结构的非导电材料，例如PrBCO(PrBa2Cu3O7-x)，非导电性YBa2Cu3O7-x等。该基底可以包括LaAlO3，MgO，R-切割或M-切割的蓝宝石，SiSrRuO3或其他任何适宜的材料。应明确的是，上述许多例子并不是排外的，还有其他可能性存在。
在图6中，动态电容被示出为对于在此为电介质的非铁电体缓冲层4’的三个不同厚度的电压的函数。在此例中，平面电容器的长度假设为0.5mm，而导体3A’，3B’之间的间隙为4μm。可以说一个磁壁被形成在基底和铁电体层2’之间。
电容值被示出为施加在对于电介质非铁电体缓冲层4’的三个不同值h10＝10nm，h30＝30mm，h100＝100nm的电极之间的电压的函数。该电容对于当在传导装置和铁电体层之间没有缓冲层的例子，还被示出为曲线h0。从而，假设示出了与没有缓冲层的例子相比，可调谐性是如何随着一个对于一些厚度的缓冲层4’的加入而减小的。如所示，在可调谐性中的减小是显著的。
图7示出了当提供有一个缓冲层时(对应于上面的曲线A)和在没有提供缓冲层的情形下(对应于下面的曲线B)，对于一个电容值的依赖于电压的Q值。从而，由实验性特性可知，对于一个电容器的Q值随着一个缓冲层的加入而相当大地增加。
除了如上所述的优点，在使用一个跨越有源(可调谐)铁电体层的缓冲层中是有利的，这是因为当一个导电性图案被刻蚀时，还可能在后续，在其下的层中产生刻蚀。从而，如果不保护在间隙中的铁电体材料的顶层，将会对它产生损害。
本发明的概念还可以被施加在谐振器上，诸如在同一专利人的专利号为No.9502137-4的瑞典专利申请“可调谐微波设备”中公开的谐振器。本发明的概念还可以用于不同类型的微波滤波器中。一些其他申请当然也是可能的。在其他方面，本发明不限于具体示出的实施例，而是可以在权力要求的范围内有许多方式的变化。

Claims (21)

1.一种电可调谐设备(10；20；30；40；50)，例如对于微波的，包括一个载体基底(1；1’；1”；1A-1C)，传导装置(3A，3B；3A’，3B’；3A”，3B”；3A1，3B1；3A2，3B2；3A3，3B3)和至少一个有源铁电体层(2；2’；2”；2A1，2A2，2A3)，
其特征在于
在至少一些传导装置(3A，3B；3A’，3B’；3A”，3B”，3A1，3B1；3A2，3B2；3A3，3B3)和一个铁电体层(2；2’；2”；2A1，2A2，2A3)之间放置有由包括一个非铁电体材料的薄膜结构所构成的一个缓冲层(4；4’；4”；4A1，4A2，4A3；4C，4D)。
2.根据权利要求1的一种设备，
其特征在于
该薄膜设备(4；4’；4”；4A1，4A2，4A3；4C，4D)包括一个薄的非铁电体层。
3.根据权利要求1的一种设备，
其特征在于
该薄膜结构包括一个多层结构(4”；4A1，4A2，4A3)，该多层结构包括一些非铁电体层。
4.根据权利要求2或3的一种设备，
其特征在于
一些非铁电体层(2A1，2A2，2A3)和非铁电体层(4A1，4A2，4A3)被以一种交替方式，紧邻该传导装置(3A1，3B1)排列。
5.根据权利要求1-3中任一项的一种设备，
其特征在于
该铁电体层(2；2’；2A3)被放置在载体基底(1；1’；1A)的顶部，该非铁电体薄膜结构(4；4’；4A1)被排列在铁电体层的顶部并在于该传导装置(3A，3B；3A’，3B’；3A1，3B1)被放置在非铁电体结构的顶部。
6.根据权利要求1-3中任一项的一种设备，
其特征在于
该铁电体层(2”)放置在该非铁电体结构(4”)上，该非铁电体结构被放置在放置于基底上的传导装置(3A”，3B”)的顶部。
7.根据上述权利要求中任一项的一种设备，
其特征在于
该传导装置包括两个纵向排列的电极(3A，3B；3A’，3B’；3A”，3B”；3A1，3B1；3A2，3B2；3A3，3B3)，在它们之间有一个间隙。
8.根据权利要求1-4中任一项的一种设备，
其特征在于
提供有第二传导装置(3A3，3B3)并在于一个非铁电体层(4D)被放置在所述第二传导装置(3A3，3B3)和铁电体层(2C)之间。
9.根据上述权利要求中任一项的一种设备，
其特征在于
该非铁电体缓冲层结构被沉积在铁电体层之内。
10.根据权利要求1-6中任一项的一种设备，
其特征在于
该非铁电体缓冲层结构被沉积在该铁电体层之外。
11.根据权利要求7或8的一种设备，
其特征在于
该非铁电体层结构通过使用激光沉积，溅射，物理或化学的汽相沉积或熔胶-凝胶技术而沉积。
12.根据上述权利要求中任一项的一种设备，
其特征在于
该铁电体和非铁电体结构具有点阵匹配的晶体结构。
13.根据权利要求7的一种设备，
其特征在于
该非铁电体缓冲层结构(3A，3B；3A’，3B’；3A”，3B”；3A1，3B1；3A2，3B2；3A3，3B3)被放置以覆盖在导体/电极之间的间隙。
14.根据上述权利要求中任一项的一种设备，
其特征在于
它包括一个电可调谐电容器(变容二极管)。
15.根据上述权利要求中任一项的一种设备，
其特征在于
它包括配置在载体基底的每一侧上的两个铁电体材料层和两个传导装置，被配置在相应的铁电体和非铁电体结构之间的非铁电体薄膜结构，该设备形成一个谐振器。
16.根据上述权利要求中任一项的一种设备，
其特征在于
缓冲层结构的该非铁电体材料是电介质的。
17.根据权利要求1-16中任一项的一种设备，
其特征在于
该非铁电体材料为铁磁体。
18.根据上述权利要求中任一项的一种设备，
其特征在于
它被用于微波滤波器中。
19.根据上述权利要求中任一项的一种设备，
其特征在于
该铁电体材料包括STO(SrTiO3)。
20.根据上述权利要求中任一项的一种设备，
其特征在于
该非铁电体材料包括CeO2或一个类似的材料或以使得它不是铁电体的这样方式沉积的SrTiO3。
21.在无线通信系统中对在上述权利要求中任一项的设备的使用。
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