CN1449110A - 电压控制振荡器 - Google Patents

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Abstract

提供一种电压控制振荡器，其使用薄膜压电共振子，该薄膜压电共振子使用极化方向统一到膜厚方向的厚10μm以下的单晶强介电体作为压电体。通过使加到该电极的电压，可具有0.01％/V以上的大的振荡频率变化率，相位静噪非常小。这样，可提供具有宽的频率可变范围、频率稳定性高、相位静噪优良、经时变化少、超小型并且可产生多个频率的电压控制振荡器。

Description

电压控制振荡器
技术领域
本发明涉及一种电压控制振荡器。
背景技术
近年来，使用薄膜压电共振子的电压控制器受到关注。薄膜压电共振子(FBAR：Film Bulk Acoustic Wave Resonator)为在形成于基板上的空洞上依次形成下部电极、压电体膜、及上部电极的元件。
这样的薄膜压电共振子按与空气层接触的下部电极和上部电极与压电体膜的总厚度为振荡波长的半波长的条件的频率产生共振。在1GHz～5GHz的频率下，其厚度与0.5μm～3μm左右的厚度对应。这样特别对GHz以上的高频区域的共振有利。
图27示出这样的薄膜压电共振子的共振频率附近的阻抗变化。
如图27所示，阻抗在反共振频率fA下呈现极大值，在共振频率fR下呈现极小值。
另外，图28示出薄膜压电共振子的共振频率附近的相位变化。
如图28所示，在反共振频率fA以上和共振频率fR以下的频率下，相位滞后90°，在反共振频率fA与共振频率fR之间的频率下，相位超前90°。
利用这样的阻抗特性和相位特性可形成共振电路。
反共振频率fA和共振频率fR在与压电膜的有效机电耦合系数k2eff之间存在以下关系。
k2eff＝(fA2-fR2)/fA2
     ～2(fA-fR)/fA    ……式(1)
因此，由压电体膜的机电耦合系数k2eff决定共振频率fR与反共振频率fA的差。
在利用这样的薄膜压电共振子形成电压控制振荡器的场合，通常串联或并联地组合使用薄膜压电共振子和根据电压改变容量值的变容二极管等压控变容器元件。
在这样组合容量成分和薄膜压电共振子的场合，振荡频率处于薄膜压电共振子单体的共振频率与反共振频率之间。该共振频率范围的范围如式(1)所示那样有效地由机电耦合系数k2eff限制。
另外，变容二极管的Q值比薄膜压电共振子的Q值小得多，所以，存在电压控制振荡器的Q值下降、相位静噪增大的问题。
另外，为了扩大频率可变范围，有时串联或并联地使用线圈等电抗元件。然而，由于电抗元件的Q值非常低，所以，存在电压控制振荡器的Q值进一步下降、相位静噪进一步增大的问题。另外，存在电抗元件的经时变化大、稳定性差的问题。
发明内容
本发明就是鉴于上述问题而作出的，其目的在于提供一种频率稳定性高、相位静噪良好、经时变化少、具有宽频率可变范围的超小型的新电压控制振荡器。
为了达到上述目的，本发明提供一种电压控制振荡器，其特征在于：具有至少1个薄膜压电共振子、控制电压电路、及放大器；该至少1个薄膜压电共振子具有极化方向统一到膜厚方向而且厚度在10μm以下的钙钛矿型单晶的强介电体薄膜和将上述强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的1对电极，根据上述1对电极间的电压改变共振频率；该控制电压电路在上述1对电极间施加电压；该放大器连接到上述薄膜压电共振子，与该共振子一起构成振荡电路。
另外，提供一种电压控制振荡器，该电压控制振荡器具有多个上述薄膜压电共振子，上述多个薄膜压电共振子弹性地接合。
另外，提供一种电压控制振荡器，在该电压控制振荡器中，上述薄膜压电共振子为组合多个的平衡电路。
另外，提供一种电压控制振荡器，其特征在于：具有由第1薄膜压电共振子和第1放大器构成的第1振荡环路、由第2薄膜压电共振子和第2放大器构成并与上述第1振荡环路电绝缘的第2振荡环路、及弹性地接合上述第1薄膜压电共振子和上述第2薄膜压电共振子的装置。
上述弹性接合最好为反相接合。
最好上述多个薄膜压电共振子串联地构成串联电路，放大器并联于上述串联电路，以上述多个薄膜压电共振子的反共振点附近的频率振荡。
最好以上述第1和第2薄膜压电共振子的共振点附近的频率振荡。
另外，提供一种电压控制振荡器，其中，上述薄膜压电共振子至少在一方的电极连接规定容量的电容，构成串联或并联电路，上述电路的共振频率可根据加到上述薄膜压电共振子的上述1对电极间的电压改变。
另外，最好上述电压控制电路产生直流电压。
另外，上述强介电体薄膜为以钛酸钡或钛酸锆酸铅为主成分的外延生长膜。
另外，本发明提供一种电压控制振荡器，其特征在于：具有第1薄膜压电共振子、第2薄膜压电共振子、控制电压电路、及放大器；该第1薄膜压电共振子包括极化方向统一到膜厚方向而且厚度在10μm以下的钙钛矿型单晶的第1强介电体薄膜和将上述第1强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的第1和第2电极；该第2薄膜压电共振子包括极化方向统一到膜厚方向而且厚度在10μm以下的钙钛矿型单晶的第2强介电体薄膜和与上述第2电极一起将上述第2强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的第3电极，在上述第1薄膜压电共振子沿膜厚方向叠层，将上述第2电极作为共用电极；该控制电压电路在上述电极间施加电压；该放大器连接到上述第1和第2薄膜压电共振子，构成振荡电路。
在该场合，最好具有包含上述第1和第2强介电体薄膜及上述第1电极～第3电极在内的厚度为振荡波长的1/4波长的基本共振频率。
另外，本发明提供一种电压控制振荡器，其特征在于：具有基板、第1薄膜压电共振子、第2薄膜压电共振子、控制电压电路、及放大器；该第1薄膜压电共振子设于上述基板上，包括极化方向统一到膜厚方向而且厚度在10μm以下的钙钛矿型单晶的强介电体薄膜和将上述第1强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的第1和第2电极；该第2薄膜压电共振子在上述基板上邻接于上述第1薄膜压电共振子，与上述第1薄膜压电共振子共有上述强介电体膜，包括将上述强介电体膜夹于其间地设置的薄膜状的第3和第4电极；该控制电压电路在上述电极间施加电压；该放大器连接到上述第1和第2薄膜压电共振子，构成振荡电路。
另外，本发明提供一种电压控制振荡器，其中：具有多个电压控制振荡器、按不同的频率使上述多个电压控制振荡器振荡的装置、及连接到上述多个电压控制振荡器并输出上述电压控制振荡器的输出频率的差的乘法器；该多个电压控制振荡器具有至少1个薄膜压电共振子、控制电压电路、及放大器；该至少1个薄膜压电共振子具有极化方向统一到膜厚方向而且厚度在10μm以下的钙钛矿型单晶的强介电体薄膜和将上述强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的1对电极，根据上述1对电极间的电压改变共振频率；该控制电压电路在上述1对电极间施加电压；该放大器连接到上述薄膜压电共振子，与该共振子一起构成振荡电路。
在该场合，最好与上述薄膜压电共振子构成串联或并联电路地具有可选择地连接的多个电容器，通过与上述电容器的至少1个的组合，控制共振频率。
作为变形，最好与规定电容构成串联或并联电路地具有可选择地连接的多个薄膜压电共振子，通过与上述薄膜压电共振子的至少1个的组合，控制共振频率。
另外，本发明提供一种电压控制振荡器，其特征在于：具有基板、薄膜压电共振子、开关元件、控制电压电路、及放大器；该薄膜压电共振子设于上述基板上，包括极化方向统一到膜厚方向而且厚度在10μm以下的钙钛矿型单晶的强介电体薄膜和将上述强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的第1和第2电极；该开关元件在上述基板上邻接于上述薄膜压电共振子，与上述薄膜压电共振子共有上述强介电体薄膜，包括将上述强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的电极，将上述强介电体薄膜作为压电促动器；该控制电压电路在上述第1和第2电极间施加电压；该放大器连接到上述第1和第2薄膜压电共振子，构成振荡电路。
附图说明
图1示出用于本发明实施形式1的薄膜压电共振子的断面图。
图2为示出本发明实施形式1的薄膜压电共振子的控制电压与共振频率的关系的图。
图3为示出本发明实施形式1的平衡型电压控制振荡器的块电路图。
图4为示出本发明实施形式1的平衡型电压控制振荡器的等价电路图。
图5为示出本发明实施形式2的平衡型薄膜压电共振子的断面图。
图6为示出本发明实施形式3的平衡型薄膜压电共振子的断面图。
图7为示出本发明实施形式3的平衡型薄膜压电共振子的断面图。
图8为示出本发明实施形式4的平衡型电压控制振荡器的块电路图。
图9为示出本发明实施形式4的平衡型电压控制振荡器的等价电路图。
图10为示出本发明实施形式5的电压控制振荡器的块电路图。
图11为示出本发明实施形式6的电压控制振荡器的等价电路图。
图12为示出本发明实施形式6的电压控制振荡器的块电路图。
图13为示出本发明实施形式6电压控制振荡器的控制电压与振荡频率的关系的图。
图14为示出本发明实施形式6电压控制振荡器的安装形式的示意断面图。
图15为示出本发明实施形式7电压控制振荡器的块电路图。
图16为示出本发明实施形式8电压控制振荡器的块电路图。
图17为示出本发明实施形式8电压控制振荡器的控制电压与振荡频率的关系的图。
图18为示出本发明实施形式9电压控制振荡器的块电路图。
图19为示出本发明实施形式10电压控制振荡器的块电路图。
图20为示出用于本发明实施形式10的对称梯子型带通滤波器的电路图。
图21为示出在本发明实施形式10的带通滤波器的薄膜压电共振子的阻抗特性的曲线图。
图22为示出在本发明实施形式10的带通滤波器的通过电力特性的曲线图。
图23为示出用于本发明实施形式10的对称格子型带通滤波器的电路图。
图24为示出本发明实施形式11的电压控制振荡器的薄膜压电共振子与压电开关元件的示意断面图。
图25为本发明实施形式12的电压控制振荡器的等价电路图。
图26为示出本发明实施形式12电压控制振荡器的控制电压与振荡频率的关系的曲线图。
图27为示出现有薄膜压电共振子的阻抗特性的曲线图。
图28为示出现有薄膜压电共振子的相位特性的曲线图。
具体实施方式
下面，根据附图详细说明本发明的实施形式。本发明不限于以下实施形式，可进行各种变形。
本发明者关于将强介电体用作薄膜压电共振子的压电体使用从理论和实验的较宽的面反复进行了讨论。结果发现，强介电体材料本质上具有通过外加电场而使音速大幅度变化的性质，通过满足几个条件，对强介电体外加控制电压，可改变振荡频率。
具体地说，用作压电体的强介电体材料需要为极化方向统一到膜厚方向的单晶膜。为了充分获得强介电体膜的压电性而且通过外加电压使频率可变，需要使强介电体膜的极化方向统一到膜厚方向。为此，最好由外延生长形成单晶。
另外，强介电体膜的厚度需要在10μm以下。最好为3μm以下。为了扩大频率可变范围，需要使加到强介电体的电场较大，当考虑可由移动体通信设备利用的电压为3V左右时，膜厚需要在10μm以下。
可提供通过将该强介电体膜夹入到1对电极间、改变加到电极间的电压而对振荡频率进行调制的电压控制振荡器。
这样的电压控制振荡器使强介电体膜的共振频率本身改变，所以，不依照机电耦合系数即可决定频率可变范围。另外，可获得不需要集成化难、Q值低的变容二极管的电路构成。
另外，相对控制电压，电压控制振荡器的共振频率变化率可增大某种程度。当考虑到通常的携带无线设备的动作电压在3V左右以下时，至少可实现0.01％/V以上的变化率，最好可实现0.02％/V以上的变化率。
为了实现该变化率，最好使用外延生长的钛酸钡或PZT等强介电体。
本发明者等发现，在钛酸钡的场合，通过在与约2GHz的振荡频率对应的1μm的膜厚的强介电体膜外加3V的偏压，可实现约0.5％的共振频率变化。
因此，通过将钛酸钡用作压电体，可构成Q值非常高的振荡电路。此时振荡频率的可变范围由(不在共振·反共振频率间)共振频率的可变范围决定，所以，可构成相对电路常数和噪声稳定的(低噪声的)电压控制振荡器。
(实施形式1)
图1示出用于本发明实施形式1的电压控制振荡器的薄膜压电共振子的断面图。
该电压控制振荡器将在硅基板1上外延生长的钛酸钡强介电体膜7用作压电体薄膜4。作为夹住该压电体薄膜4地形成的1对电极3、5使用铱(Ir)电极。由该强介电体薄膜4和夹着其的1对电极3和4形成薄膜压电共振子。
该薄膜压电共振子是这样形成的，即，在硅基板1上外延生长SrRuO3腐蚀替代层8，在其上外延生长电极3、钛酸钡强介电体膜7、及铱上部电极5。此后，除去成为共振部6的部分的下方的腐蚀替代层8，形成空洞2。
在该电压控制振荡器中，通过在1对电极3、4之间外加交流电压而由压电反效果产生交变应力，激励起厚度纵模的弹性振动的共振。
当从控制电压电路9在1对电极3、4间外加与控制电压Vc相当的直流偏压时，由于强介电体内的音速变化，所以，可改变共振频率和反共振频率。
图2示出在该薄膜压电共振子测定相对控制电压的共振频率和反共振频率的结果。在该场合，使强介电体膜7的膜厚为1100nm，使下部电极3的膜厚为100nm，使上部电极5的膜厚为150nm。
由图2可知，当作为控制电压Vc使直流电压在0.2V～3.0V变化时，共振频率在1.995GHz～2.0055GHz变化，反共振频率在2.85GHz～2.951GHz变化。即，两频率都观测到约0.20％/V的变化率。另外，作为Q值，可获得900这样非常高的值，可进行相位静噪少的振荡。
图3示出使用2个薄膜压电共振子的平衡型电压控制振荡器110的基本块电路图。
如图3所示，在串联2个反转型放大器111和112的振荡环路内并联1对薄膜压电共振子113和114的串联电路119。薄膜压电共振子113具有电极115和116，薄膜压电共振子114具有电极117和118。
通过在电极115和117外加控制电压Vcont，可改变薄膜压电共振子113和114的反共振频率，可改变振荡器110的输出频率。此时电极116和118处于反相关系。
在该平衡型电压控制振荡器中，在薄膜压电共振子113和114的阻抗取最大值的反共振频率附近，振荡电路的环路增益最大，产生振荡。
图4示出由CMOS反相器形成图3所示反转型放大器111和112时的等价电路120。
如图4所示，由P型MOS晶体管121和N型MOS晶体管122形成CMOS反相器，同样，由P型MOS晶体管123和N型MOS晶体管124形成另一个CMOS反相器。单侧的CMOS反相器的输出通过直流断路用的电容器127连接到CMOS反相器的输入。在两CMOS反相器外加电源电压Vdd。
在该CMOS反相器的环路并联以串联方式连接的1对薄膜压电共振子125和126的串联电路119。另外，在输出Vout连接输出缓冲放大器128和129。
使用这样的CMOS反相器的平衡型电压控制等价电路120适合在2GHz带10MHz以下的频率可变范围的用途，Q值非常高。
该平衡型电压控制振荡器使用1对薄膜压电共振子，各共振子的成为反相关系的电极连接到平衡型振荡环路，可输出适合于平衡型电压控制振荡器的同一频率而且反相的2个输出。
(实施形式2)
图5示出本发明实施形式2的1对薄膜压电共振子130的断面图。
该共振子适合用于平衡型电压控制振荡器，1对薄膜压电共振子为了统一振荡，相互弹性地接合。作为弹性接合的薄膜压电共振子，具有在膜厚方向叠层的被称为所谓叠层晶体滤波器的构造或在面内方向接合的被称为所谓的单片晶体滤波器的构造。本实施形式为叠层晶体构造。
如图5所示，薄膜压电共振子可这样制成，即，在硅基板1上使SrRuO3腐蚀替代层8外延生长，在其上使铱下部电极133、钛酸钡强介电体膜134、铱中间电极135、钛酸钡强介电体膜136、及铱上部电极137外延生长，此后，除去成为共振部138的部分的下面的腐蚀替代层8，形成空洞132。
该平衡型薄膜压电共振子将由下部电极133、强介电体膜134、及中间电极135构成的第1薄膜压电共振子130a和由中间电极135、强介电体膜136、及上部电极137构成的第2薄膜压电共振子130b叠层，共用中间电极135，非常强弹性地连接2个薄膜压电共振子。
从下部电极133到通用的中间电极135的厚度与振荡频率的1/4波长相当，同样，从中间电极135到上部电极137的厚度与振荡频率的1/4波长相当。因此，从下部电极133到上部电极137的厚度成为振荡频率的半波长地产生共振。即，使用具有振荡频率的2倍的基本共振频率的2个薄膜压电共振子。
如图5所示，厚度方向的相位分布P1的上部电极137和下部电极133成为反相位。通过将该1对薄膜压电共振子设置于例如图4所示电压控制振荡器120的节点N1和N2之间，可形成优良的平衡型电压控制振荡器。
用于平衡型电压控制振荡器的1对薄膜压电共振子为了实现高Q值的振荡，要求尽可能统一共振特性统一的薄膜压电共振子，但现实上成膜条件等微少偏差使共振频率等产生一些差别，该差别使振荡特性恶化。
因此，弹性接合1对薄膜压电共振子，作为实质上同一共振子使其共振，这样，可获得纯度非常高的共振特性，在平衡型电压控制振荡器中，可使2个输出的特性完全平衡。
而且，通过改变外加于中间电极135和节点N1、N2之间的直流偏压Vcont，可稳定地改变振荡频率。
(实施形式3)
图6和图7示出本发明实施形式3的1对薄膜压电共振子的断面图。该共振子适合构成平衡型电压控制共振器。
共振子具有在面内方向弹性接合的单片晶体滤波器构造。
作为邻接于压电膜面内设置的薄膜压电共振子相互的连接模式，在体纵振动中，具有邻接的共振子成为反相(negative phase sequence)的反对称模式(斜对称模式或A模式)和成为相同相位(common modephase)的对称模式(S模式)。任一模式的选择根据电极间隔和电极尺寸、压电体的弹性基体、周围的约束条件等进行。
使用该平衡型电压控制振荡器，2个共振子使用同一强介电体膜，弹性接合地邻接于面内设置。
这样，完全弹性地接合，在同一频率下振动，而且可构成反相位的输出。
图6为使用对称模式的场合的单片晶体滤波器构造配置的断面模式图。
如图6所示，在形成于硅基板141上的空洞142上形成下部电极144、下部电极145、强介电体膜143、上部电极146、及上部电极147。它们成为薄膜压电共振子140A、140B。
由下部电极144、强介电体膜143、及上部电极146构成的第1薄膜压电共振子140A和由下部电极145、强介电体膜143、上部电极147构成的第2薄膜压电共振子140B邻接地设置。
另外，如图6所示，面内的相位分布P2使2个薄膜压电共振子为相同相位地强弹性连接薄膜压电共振子。P1示出膜厚方向的相位分布。
因此，分别将成为反相位的上部电极146和下部电极145连接到图4所示电路的节点N1和N2，在上部电极147与下部电极144之间加控制电压Vc，从而可形成优良的平衡型电压控制振荡器。
图7为使用反对称模式的场合的单片晶体滤波器构造配置的1对薄膜压电共振子150的断面模式图。
如图7所示那样，在形成于硅基板151上的空洞152上，形成下部电极153、强介电体膜154、上部电极155、及上部电极156。由它们形成薄膜压电共振子。
邻接地设置由下部电极153、强介电体膜154、及上部电极155构成的第1薄膜压电共振子150A和由下部电极153、强介电体膜154、上部电极155、及上部电极156构成的第2薄膜压电共振子150B。
另外，如图7所示，面内的相位分布P2使2个薄膜压电共振子为反相位地强弹性连接薄膜压电共振子。P1示出膜厚方向的相位分布。
因此，分别将处于反相位关系的上部电极155和上部电极157连接到图4所示振荡电路的N1和N2节点，在通用的下部电极153加控制电压Vc，从而可形成优良的平衡型电压控制振荡器。
薄膜压电共振子的构造不限于图5～图7所示构造。在满足设置弹性接合的至少1对薄膜压电共振子、将各薄膜压电共振子的成为反相的电极连接到振荡环路的互补的连接点N1和N2这样的条件的基础上，可进行各种各样的变化。
例如，也可为设置布喇格反射层代替设于共振部下的空洞的所谓实心安装共振子等。
(实施形式4)
图8为本发明第4实施形式的平衡型电压控制振荡器160的电路图。
该平衡型电压控制振荡器形成由反转型放大器161和薄膜压电共振子163构成的第1振荡环路160A和由反转型放大器162和薄膜压电共振子164构成的第2振荡环路160B，薄膜压电共振子163和薄膜压电共振子164弹性地按反相关系接合。
另外，薄膜压电共振子的两端通过电容器165、166、167、及168接地，这是为了作为无源元件整体使相位反转、与反相放大器一起使作为振荡条件的环路整体的相位回转角为2π。
在该基本块160的电路构成中，串联放大器161、162与薄膜压电共振子163、164，所以，在薄膜压电共振子161和162的阻抗成为最小值的的共振频率附近，振荡电路的环路增益最大，产生共振。
图9示出由NPN双极晶体管形成图8的基本块160的反转型放大器161和162时的等价电路170。
形成由NPN双极晶体管171和薄膜压电共振子173构成的第1振荡环路和由NPN双极晶体管172和薄膜压电共振子174构成的第2振荡环路，薄膜压电共振子173和薄膜压电共振子174弹性地按反相关系接合。
另外，在薄膜压电共振子173和174一方的电极173a、174a通过电阻器173b、174b外加振荡频率可变用的控制电压Vcont，其另一方的电极处于相互反相的关系。
使用这样的电压控制振荡器和振荡电路可构成适合于在2GHz带10MHz以下的频率可变范围的用途、Q非常高的平衡型电压控制振荡器。
(实施形式5)
图10示出本发明实施形式5的平衡型电压控制振荡器的基本块电路图180。
该平衡型电压控制振荡器将所有反转型放大器181、182、183、及184和薄膜压电共振子185、186串联形成振荡环路。薄膜压电共振子185和186按反相关系弹性接合。
另外，薄膜压电共振子185和186的两端通过电容187、189、188、190接地。这是为了作为各薄膜压电共振子使相位反转，与反转放大器一起，使作为振荡条件的环路整体的相位回转角为2nπ(n为整数)。
在该基本块180的电路中，反转型放大器181、182、183、及184和薄膜压电共振子185、186全部串联，所以，在薄膜压电共振子的阻抗取最小值的共振频率附近，振荡电路的环路增益最大，产生振荡。
图11示出由CMOS反相器形成图10所示基本块180的反转型放大器181、182、183、及184的等价电路。
将所有CMOS反相器201、202、203、及204与薄膜压电共振子205和206串联，构成振荡环路，弹性地以反相关系接合薄膜压电共振子205和206。
另外，在薄膜压电共振子205、206的一方的电极205a、206a通过电阻器205b、206b从控制电压电路216加上控制电压Vcont，其另一方的电极处于相互反相的关系。
使用这样的薄膜压电共振子和振荡电路可构成适合于在2GHz带10MHz以下的频率可变范围的用途、Q非常高的平衡电压控制振荡器。
该平衡型电压控制振荡器的特征在于：形成电绝缘的分别独立的2个振荡环路，以薄膜压电共振子的共振点附近的频率共振。
此时，形成2个振荡环路的1对薄膜压电共振子按相反相位弹性地接合，所以，可实现在同一频率具有反相的2个输出的平衡型电压控制振荡器。
另外，2个以上的放大器与1对薄膜压电共振子全部串联，形成1个振荡环路，在薄膜压电共振子的阻抗最小的共振频率附近振荡。将在振荡环路中成为相反相位的2个节点N1、N2作为输出点，可实现在同一频率下具有相反相位的2个输出的平衡型电压控制振荡器。
(实施形式6)
图12为实施形式6的电压控制振荡器210的框图。
如图12所示，该电压控制振荡器210作为输入端子具有用于接地的接地端子GND、供给电源电压Vcc的电源端子Vcc、向薄膜压电共振子供给控制电压Vc的控制端子Vc、及输出振荡信号的输出端子Out。
另外，电压控制振荡器210包括第1振荡电路211、第2振荡电路214、乘法器217、输出缓冲器213、输出缓冲器216；该第1振荡电路211具有薄膜压电共振子212，产生可相应于控制电压Vc改变的频率；该第2振荡电路214具有薄膜压电共振子215，产生固定频率；该乘法器217用于输出第1振荡电路的频率与第2振荡电路的频率的差，作为混频器；该输出缓冲器213确保第1振荡电路211与乘法器217之间的隔离。
振荡电路211和214可使用在实施形式2～实施形式5中说明的平衡型电压控制振荡电路。
图13示出在薄膜压电共振子212中测定相对控制电压的振荡频率的结果。振荡子具有图1所示构造，强介电体薄膜4的膜厚为230nm，下部电极3的膜厚为25nm，上部电极5的膜厚为50nm，第1振荡电路211的负荷容量为9pF。
如图13所示，控制电压Vc为0.2V～3.0V时，可获得6.00±0.045GHz的共振频率可变范围。
另外，在薄膜压电共振子215中，对于图1所示构造，使强介电体薄膜4的膜厚为310nm，下部电极3的膜厚为35nm，上部电极5的膜厚为72nm，这样，作为不外加控制电压的场合的第2振荡电路214的振荡频率，获得了4GHz。
第1振荡电路211和第2振荡电路214的输出分别通过输出缓冲器213、216输入到乘法器217，通过输出两振荡电路的输出的差，可相对振荡频率确保较大的可变频率范围。
在本实施形式中，可获得2GHz±45MHz的输出频率。可满足W-CDMA(英语的全拼)用的电压控制振荡器要求的特性。
图14为将上述振荡电路和乘法器(混频电路)安装到同一组件的组件断面图。
如图14所示，在绝缘的Si基板上形成薄膜压电共振子、用于振荡电路的电容器、电阻器、电感器等无源元件，构成无源芯片220。在该面，搭载有用于搭载2个振荡电路和输出缓冲电路的高频半导体IC221和用于搭载混频电路的高频半导体IC222，由封闭树脂224模制。
主要搭载用于振荡电路的晶体管和用于输出缓冲器的晶体管的IC221和主要搭载用于混频器的晶体管的IC222以裸芯片的状态通过泵连接，一体地封闭，形成为模块223。
通过按叠层芯片的形式模块化，可形成非常小的以高密度安装的电压控制振荡器。
这样，具有多个平衡型电压控制振荡器，具有用于输出来自多个电压控制振荡器的输出频率的差的乘法器，将多个电压控制振荡器封闭安装到同一基板。
(实施形式7)
图15示出本发明实施形式7的电压控制振荡器230的框图。
该电压控制振荡器230涉及可输出RF频率和IF频率这样2种频率的双模式的电压控制振荡器。
如图15所示，电压控制振荡器230作为输入端子具有用于接地的接地端子GND、供给电源电压Vcc的电源端子Vcc、供给第1控制电压Vc1的控制端子Vc1、供给第2控制电压Vc2的控制端子Vc2、输出第1振荡信号的输出端子Out1、及输出第2振荡信号的输出端子Out2。
另外，电压控制振荡器230具有第1振荡电路231、输出缓冲器237、第2振荡电路232、输出缓冲器238、第3振荡电路233、分配器240、输出缓冲器239；该第1振荡电路231具有薄膜压电共振子234，产生可相应于控制电压Vc1改变的频率；该输出缓冲器237用于确保第1振荡电路231与乘法器241间的隔离；该第2振荡电路232具有薄膜压电共振子235，用于产生可相应于控制电压Vc2改变的频率；该输出缓冲器238用于确保第2振荡电路232与乘法器间的隔离；该第3振荡电路233具有薄膜压电共振子236，用于产生固定频率；该分配器240将来自第3振荡电路233的输出分配到2个乘法器；该输出缓冲器239用于确保第3振荡电路233与分配器240间的隔离。乘法器241输出第1振荡电路231的频率与第3振荡电路233的频率的差，乘法器242输出第2振荡电路232的频率与第3振荡电路233的频率的差。
第1、第2、第3振荡电路231、232、233可使用在实施形式2～实施形式5中说明的任一个平衡型电压控制振荡器。
在薄膜压电共振子234，使强介电体膜的膜厚为230nm，使下部电极的膜厚为25nm，使上部电极的膜厚为50nm，在该场合，控制电压Vc1为0.2V～3.0V，与其对应，可获得6.00±0.045GHz的共振频率可变范围。
在第2薄膜压电共振子235中，使强介电体膜的膜厚为255nm，使下部电极的膜厚为25nm，使上部电极的膜厚为50nm，在该场合，可获得4.25GHz的共振频率。
在第3薄膜压电共振子236中，使强介电体膜的膜厚为330nm，使下部电极的膜厚为25nm，使上部电极的膜厚为50nm，在该场合，不外加控制电压即作为第3振荡电路233的振荡频率获得4GHz。
通过输出缓冲器和分配器将第1振荡电路231和第3振荡电路233的输出分别输入到乘法器，输出两振荡电路的输出的差，可相对振荡频率确保相对较大的可变频率范围。
这样，可获得2GHz±45Hz的输出频率。这样，可大体满足W-CDMA用电压控制振荡器要求的特性。
另外，分别通过输出缓冲器和分配器将第2振荡电路232和第3振荡电路233的输出输入到乘法器，输出两振荡电路的输出的差，从而可获得大体240MHz的振荡频率。在由单一的振荡电路使该频率振荡的场合，需要使电压控制振荡器的压电体的膜厚在5000nm以上，在本实施形式中，通过使用2个振荡电路，可由薄得多的强介电体的膜厚获得相同的频率，所以，可在短时间完成电压控制振荡器的制作时间，同时技术也明显容易。
另外，即使在第1、第2振荡电路231、232独立地同时产生2种频率，也可不如使用电感器和电容器时那样产生相互作用地进行稳定的振荡。
(实施形式8)
图16示出本发明实施形式8的电压控制振荡电路240的框图。
在图16中，电压控制振荡电路240作为输入端子具有用于接地的接地端子GND、供给电源电压Vcc的电源端子Vcc、供给控制电压Vc的控制端子Vc、供给用于切换频率的开关控制信号的控制端子Cont、及输出振荡信号的输出端子Out。
另外，电压控制振荡电路240具有振荡电路241和输出缓冲器244；该振荡电路241具有薄膜压电共振子242和切换频率用的容量调整电路243，产生可相应于控制电压Vc改变的频率；该输出缓冲器244用于确保振荡电路241与输出端子Out间的隔离。
在这里，作为振荡电路的共振元件，使用从薄膜压电共振子242和容量调整电路243由相应于控制信号开闭的开关S1～Sn选择的电容器C1～Cn。
使用在薄膜压电共振子242的电极间施加与控制电压Vc相当的直流偏压的装置和选择容量调整电路的容量值的装置这样2种装置，可控制振荡频率。
作为包含于容量调整电路243的电容器C1～Cn的容量，最好可使用例如倍数系列等由少数电容器覆盖较宽的容量变化范围。
图17示出薄膜压电共振子242的控制电压和共振频率的关系。此时，设强介电体膜的膜厚为110nm，使下部电极的膜厚为15nm，使上部电极的膜厚为20nm，另外，将容量调整电路的C1～C3分别设为2pF、4pF、8pF。
如图17所示，将容量调整电路的电容器切换到使用C1的场合、使用C2的场合、使用C3的场合、使用C1+C2+C3的场合，控制电压Vc为0.2V～3.0V，与其对应，测定共振频率时可获得2.00±0.08GHz的共振频率可变范围。
在本实施形式中，作为电压控制振荡器的共振元件，具有薄膜压电共振子和多个电容器，具有根据外部控制信号Cont从上述多个电容器选择特定的电容器地切换的装置。由使用强介电体的薄膜压电共振子和根据外部信号从多个具有固定容量的电容器选择的电容器构成串联电路或并联电路的共振电路，与频道选择相当的频率控制由电容器的选择进行，频率的微调通过在电压控制振荡器施加控制电压而具有宽的可变范围的频率，另外可实现因不使用变容二极管而具有非常低的相位静噪的电压控制振荡器。
(实施形式9)
图18示出本发明实施形式9的电压控制振荡器的框图。
在图18中，电压控制振荡电路250作为输入端子具有用于接地的接地端子GND、供给电源电压Vcc的电源端子Vcc、供给控制电压Vc的控制端子Vc、供给用于切换频率的控制信号的控制端子Cont、及输出振荡信号的输出端子Out。
另外，电压控制振荡电路250具有振荡电路251和输出缓冲器254；该振荡电路251具有薄膜压电共振子选择电路252和固定容量243，产生可相应于控制电压Vc改变的频率，该薄膜压电共振子选择电路252具有多个薄膜压电共振子F1～Fn；该输出缓冲器254用于确保振荡电路251与输出端子间的隔离。
在这里，作为振荡电路的共振元件，使用从固定容量253和薄膜压电共振子选择电路252由相应于控制信号开闭的开关S1～Sn选择的薄膜压电共振子F1～Fn。使用由薄膜压电共振子选择电路选择具有不同的中心共振频率的薄膜压电共振子的装置和在薄膜压电共振子的电极间施加与控制电压Vc相当的直流偏压的装置这样2种装置，可控制宽范围的振荡频率。
作为包含于薄膜压电共振子选择电路252的薄膜压电共振子F1～Fn的中心共振频率，最好例如统一为相等间隔。
在本实施形式中，使用8个薄膜压电共振子F1～F8，强介电体膜的膜厚110nm和下部电极的膜厚15nm通用，在15nm～25nm的范围使上部电极的膜厚按相等间隔变化。结果，各薄膜压电共振子的中心共振频率按8MHz的间隔处于1.972GHz～2.029GHz的范围，通过进一步在上下电极间施加控制电压，可使各中心共振频率改变8.5MHzZ，所以，整体上获得了1.968GHz～2.033GHz的共振频率可变范围。
这样，作为电压控制振荡器的共振元件，具有多个薄膜压电共振子，具有根据外部控制信号从上述多个薄膜压电共振子选择特定的薄膜压电共振子的装置。由从使用多个中心共振频率不同的强介电体的薄膜压电共振子根据外部信号选择的薄膜压电共振子和具有固定容量的电容器构成共振电路，与频道选择相当的频率控制由薄膜压电共振子的选择进行，频率的微调通过在薄膜压电共振子施加控制电压而具有宽的可变范围的频率，另外可实现使用变容二极管而具有非常低的相位静噪的电压控制振荡器。
(实施形式10)
图19示出本发明实施形式10的电压控制振荡电路的框图。
在图19中，电压控制振荡电路260作为输入端子具有用于接地的接地端子GND、供给电源电压Vcc的电源端子Vcc、供给控制电压Vc的控制端子Vc、供给用于切换频率的开关控制信号的控制端子Cont、及输出振荡信号的输出端子Out。
另外，电压控制振荡电路260具有振荡电路261、带通滤波器265、输出缓冲器264；该振荡电路261具有薄膜压电共振子262和频率切换用的容量调电路263，产生可相应于控制电压Vc改变的频率；该带通滤波器265用于除去输出振荡电路261的脉动成分；该输出缓冲器264用于确保振荡电路261与带通滤波器265间的隔离。
在这里，与实施形式6同样，作为振荡电路的共振元件，使用从薄膜压电共振子262和容量调电路263由相应于控制信号开闭的开关S1～Sn选择的电容器C1～Cn。使用在薄膜压电共振子的电极间施加与控制电压Vc相当的直流偏压的装置和选择容量调整电路的容量值的装置这样2种装置，可控制振荡频率。
图20示出对称梯子型的带通滤波器265。该对称梯子型的带通滤波器265为具有2个串联的薄膜压电共振子266的2组与2个并联的薄膜压电共振子267的全梯子型。
如图21所示，并联的薄膜压电共振子267和串联的薄膜压电共振子266很少量地将中心频率改变Δf。在这里，串联的薄膜压电共振子266的共振频率和并联的薄膜压电共振子267的反共振频率一致。
图22示出该对称梯子型的带通滤波器265的通过特性。如图所示，带通滤波器265对具有某一宽度的频率进行过滤。
在本实施形式中，在同一绝缘硅基板上由大体相同的工艺制作所有用于振荡电路的薄膜压电共振子62、用于带通滤波器的薄膜压电共振子66、及并联的薄膜压电共振子67。即，使强介电体膜的膜厚110nm和下部电极的膜厚15nm通用，仅使上部电极的膜厚分别为20nm、23nm、17nm，进行中心共振频率的调谐。
图23作为变形例示出对称格子型带通滤波器的电路。
该对称格子型带通滤波器为具有2个串联的薄膜压电共振子281和2个并联的薄膜压电共振子282的格子型的滤波器280。
按照该构造，由大体单一的工艺，可在同一基板上形成用于振荡电路的共振子和构成用于除去振荡电路的脉动成分的带通滤波器的薄膜压电共振子，可由容易的工艺制作高性能的电压控制振荡器。
本实施形式着眼于可通过组合多个薄膜压电共振子而形成带通滤波器和低通过滤波器，在同一基板上同时制作电压控制振荡器用和滤波器。通常在电压控制振荡器的输出叠加高次谐波的脉动成分，为了用于RF接收电路和发送电路，可使用低通滤波器等除去脉动成分。
在本实施形式中，可由同一工序形成电压控制振荡器和滤波器，其优点大。作为使用薄膜压电共振子构成的滤波器，可列举出上述梯子型滤波器和格子型滤波器等。
(实施形式11)
图24示出在同一基板271上使用大体相同的材料和工艺形成本发明实施形式11的薄膜压电共振子278和压电开关元件279的电压控制振荡器的断面图。
薄膜压电共振子278在硅基板271隔着空洞272依次形成下部电极273、强介电体274、上部电极275而制成。另外，压电开关元件279同样在硅基板271上隔着开放构造的空洞272依次形成下部电极273、强介电体274、上部电极275而制成，这一点是相同的，此外，还附加相向电极276和悬臂277。即，为压电促动器、当在电极间施加电压时，则悬臂挠曲，下部电极273和相向电极276接触。
在本实施形式中，作为下部电极273和上部电极275使用相对基板进行外延生长的单晶Pt，另外，作为强介电体274使用相对基板进行外延生长的单晶钛酸钡强介电体，电极·压电体都由相同的工艺同时制成。
这样，通过同时在同一基板上形成薄膜压电共振子和低接通电阻的压电开关元件，从而可容易地构成使用图17或图19所示薄膜压电共振子和开关元件的电压控制振荡器。
通过组合薄膜压电共振子和开关元件，可构成具有大的频率可变范围的电压控制振荡器。使用压电促动器的开关元件与使用半导体的开关元件相比具有低接通电阻，具有可制成包含高Q值的开关元件的振荡电路的优点。
(实施形式12)
图25示出本发明实施形式12的电压控制振荡器290的电路图。
薄膜压电共振子291可使用图1说明的薄膜压电共振子。
该电压控制振荡器290在控制电压Vc和输出Out之间并联薄膜压电共振子291。薄膜压电共振子291的一方接地。
在薄膜压电共振子291的两电极间由控制电压电路292施加与控制电压Vc相当的直流偏压时，强介电体内的音速变化，所以，可改变共振频率和反共振频率。
图26示出在该薄膜压电共振子中测定相对控制电压的共振和反共振频率的结果。在该场合，设强介电体膜的膜厚为1100nm，设下部电极的膜厚为100nm，设上部电极的膜厚为150nm。另外，设振荡器110的固定不可容量为9pF。
从图26可以看出，当使控制电压Vc在0.2V～3.0V变化时，共振频率在1.995GHz～2.0055GHz变化。观测到约0.20％/V的变化率。另外，作为Q值，可获得900这样非常高的值，可进行相位静噪少的振荡。
可提供适合于2GHz带10MHz以下的频率可变范围的用途的、质量非常高的电压控制振荡器。
在以上说明的实施形式中，作为薄膜压电共振子的强介电体膜使用的单晶强介电体为在单晶基板上由外延生长制成的钙钛矿系的强介电体，作为钙钛矿系的强介电体最好为以钛酸钡或钛酸锆酸铅为主成分的强介电体。
这是因为，以钛酸钡或钛酸锆酸铅为主成分的强介电体在由单晶制成的场合具有非常大的机电耦合系数，另外，具有音速的大的电场依存性。
上述实施形式可单独使用，也可组合几个发挥出更大的效果。
如以上那样按照本发明，可提供一种电压控制振荡器，该电压控制振荡器具有宽的频率可变范围，频率稳定度高，相位静噪优良，经时变化少，超小型，同时可产生多个频率。

Claims (19)

1.一种电压控制振荡器，其特征在于：具有至少1个薄膜压电共振子、控制电压电路、及放大器；该至少1个薄膜压电共振子具有极化方向统一到膜厚方向而且厚度在10μm以下的钙钛矿型单晶的强介电体薄膜和将上述强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的1对电极，并根据上述1对电极间的电压改变共振频率；该控制电压电路在上述1对电极间施加电压；该放大器连接到上述薄膜压电共振子，与该共振子一起构成振荡电路。
2.根据权利要求1所述的电压控制振荡器，其中，具有多个上述薄膜压电共振子，上述多个薄膜压电共振子弹性地接合。
3.根据权利要求1所述的电压控制振荡器，其中，为组合多个上述薄膜压电共振子的平衡电路。
4.根据权利要求1所述的电压控制振荡器，其中，具有由第1薄膜压电共振子和第1放大器构成的第1振荡环路、由第2薄膜压电共振子和第2放大器构成并与上述第1振荡环路电绝缘的第2振荡环路、及弹性地接合上述第1薄膜压电共振子和上述第2薄膜压电共振子的装置。
5.根据权利要求2所述的电压控制振荡器，其中，上述弹性接合为反相接合。
6.根据权利要求1所述的电压控制振荡器，其中，上述多个薄膜压电共振子串联地构成串联电路，放大器并联于上述串联电路，以上述多个薄膜压电共振子的反共振点附近的频率来振荡。
7.根据权利要求4所述的电压控制振荡器，其中，以上述第1和第2薄膜压电共振子的共振点附近的频率来振荡。
8.根据权利要求1所述的电压控制振荡器，其中，上述薄膜压电共振子至少在一方的电极连接规定容量的电容，构成串联电路或并联电路，上述电路的共振频率可根据加到上述薄膜压电共振子的上述1对电极间的电压改变。
9.根据权利要求1所述的电压控制振荡器，其中，上述电压控制电路产生直流电压。
10.根据权利要求1所述的电压控制振荡器，其中，上述强介电体薄膜为以钛酸钡或钛酸锆酸铅为主成分的外延生长膜。
11.一种电压控制振荡器，其特征在于：具有第1薄膜压电共振子、第2薄膜压电共振子、控制电压电路、及放大器；该第1薄膜压电共振子包括极化方向统一到膜厚方向而且厚度在10μm以下的钙钛矿型单晶的第1强介电体薄膜和将上述第1强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的第1和第2电极；该第2薄膜压电共振子包括极化方向统一到膜厚方向而且厚度在10μm以下的钙钛矿型单晶的第2强介电体薄膜和与上述第2电极一起将上述第2强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的第3电极，并在上述第1薄膜压电共振子沿膜厚方向叠层，将上述第2电极作为共用电极；该控制电压电路在上述电极间施加电压；该放大器连接到上述第1和第2薄膜压电共振子，构成振荡电路。
12.根据权利要求11所述的电压控制振荡器，其中，弹性地接合上述第1薄膜压电共振子和上述第2薄膜压电共振子。
13.根据权利要求11所述的电压控制振荡器，其中，具有包含上述第1和第2强介电体薄膜及上述第1电极～第3电极在内的厚度为振荡波长的1/4波长的基本共振频率。
14.一种电压控制振荡器，其特征在于：具有基板、第1薄膜压电共振子、第2薄膜压电共振子、控制电压电路、及放大器；该第1薄膜压电共振子设于上述基板上，并包括极化方向统一到膜厚方向而且厚度在10μm以下的钙钛矿型单晶的第1强介电体薄膜和将上述第1强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的第1和第2电极；该第2薄膜压电共振子在上述基板上邻接于上述第1薄膜压电共振子，与上述第1薄膜压电共振子共有上述强介电体膜，并包括将上述强介电体膜夹于其间地设置的薄膜状的第3和第4电极；该控制电压电路在上述电极间施加电压；该放大器连接到上述第1和第2薄膜压电共振子，构成振荡电路。
15.根据权利要求14所述的电压控制振荡器，其中，弹性地接合上述第1薄膜压电共振子和上述第2薄膜压电共振子。
16.一种电压控制振荡器，其中：具有多个电压控制振荡器、按不同的频率使上述多个电压控制振荡器振荡的装置、及连接到上述多个电压控制振荡器并输出上述电压控制振荡器的输出频率的差的乘法器；该多个电压控制振荡器具有至少1个薄膜压电共振子、控制电压电路、及放大器；该至少1个薄膜压电共振子具有极化方向统一到膜厚方向而且厚度在10μm以下的钙钛矿型单晶的强介电体薄膜和将上述强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的1对电极，并根据上述1对电极间的电压改变共振频率；该控制电压电路在上述1对电极间施加电压；该放大器连接到上述薄膜压电共振子，并与该共振子一起构成振荡电路。
17.根据权利要求1所述的电压控制振荡器，其中，与上述薄膜压电共振子构成串联或并联电路地具有可选择地连接的多个电容器，通过与上述电容器的至少1个的组合，控制共振频率。
18.根据权利要求1所述的电压控制振荡器，其中，与规定电容构成串联或并联电路地具有可选择地连接的多个薄膜压电共振子，通过与上述薄膜压电共振子的至少1个的组合，控制共振频率。
19.一种电压控制振荡器，其特征在于：具有基板、薄膜压电共振子、开关元件、控制电压电路、及放大器；该薄膜压电共振子设于上述基板上，包括极化方向统一到膜厚方向而且厚度在10μm以下的钙钛矿型单晶的强介电体薄膜和将上述强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的第1和第2电极；该开关元件在上述基板上邻接于上述薄膜压电共振子，与上述薄膜压电共振子共有上述强介电体薄膜，并包括将上述强介电体薄膜夹于其间地设置的薄膜状的电极，且将上述强介电体薄膜作为压电促动器；该控制电压电路在上述第1和第2电极间施加电压；该放大器连接到上述第1和第2薄膜压电共振子，构成振荡电路。
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