ES2252442T3 - Dispositivo fero-electrico, ajustable con bajas perdidas y metodo de carazterizacion. - Google Patents

Dispositivo fero-electrico, ajustable con bajas perdidas y metodo de carazterizacion.

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ES2252442T3
ES2252442T3 ES02718436T ES02718436T ES2252442T3 ES 2252442 T3 ES2252442 T3 ES 2252442T3 ES 02718436 T ES02718436 T ES 02718436T ES 02718436 T ES02718436 T ES 02718436T ES 2252442 T3 ES2252442 T3 ES 2252442T3
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Abstract

Método para la determinación de las pérdidas ferro-eléctricas asociadas con un componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), que comprende: conectar el componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610) a un circuito resonante de franja estrecha (400, 450, 600); medir la frecuencia central y las pérdidas de inserción del circuito resonante de franja estrecha (400, 450, 600) y el componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610) con un analizador de red; calcular como mínimo o la pérdida geométrica o la pérdida del metal de, como mínimo, el circuito resonante de franja estrecha (400, 450, 600) o el componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610); restar como mínimo las pérdidas geométricas calculadas o la pérdida de metal calculada de las pérdidas de inserción medidas para obtener una aproximación de las pérdidas ferro-eléctricas del componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610).

Description

Dispositivo ferro-eléctrico, ajustable con bajas perdidas y método de caracterización.
Solicitudes relacionadas
La presente solicitud reivindica la solicitud provisional U.S.A. 60/283.093, presentada en 11 de Abril de 2001. Además, la presente solicitud está relacionada con la solicitud U.S.A. "Tunable Ferro-electric Filter" ("Filtro ferro-eléctrico ajustable"), presentada en 13 de Julio de 2001, y con la solicitud U.S.A. "Tunable Ferro-electric Multiplexer" ("Multiplexador ferro-eléctrico ajustable"), presentada en 24 de Julio de 2001.
Sector técnico de la invención
El sector técnico de la presente invención es el de los dispositivos y componentes electrónicos ferro-eléctricos ajustables.
Antecedentes de la invención
Los condensadores variables son ventajosos dado que se pueden conseguir diferentes respuestas electrónicas por la variación de la capacidad. No obstante, las estructuras actualmente utilizadas para implementar condensadores variables o ajustables tienen importantes limitaciones de rendimiento y de tipo práctico. Las placas paralelas móviles, si bien proporcionan capacidad variable para ajuste de radio, son voluminosas, presentan pérdidas, son ruidosas y operan, en general, solamente en una gama limitada de frecuencias o presentan varias de estas limitaciones. Un componente o dispositivo que "presenta pérdidas" tiene una pérdida de inserción elevada (IL), que es la relación o proporción de la potencia disipada en el componente con respecto a la potencia suministrada a una carga. Un varactor electrónico es un dispositivo semiconductor que ajusta la capacidad como respuesta a un voltaje aplicado. Los varactores presentan típicamente pérdidas y generación de ruidos, y por lo tanto son en general ineficaces para aplicaciones de alta frecuencia, particularmente las superiores a 200 MHz. Por lo tanto, no son adecuados para el ajuste de dispositivos de inserción críticos por pérdidas, tales como filtros y multiplexadores en aplicaciones de técnicas sin cables, particularmente cuando se utiliza el Código de División de Acceso Múltiple (CDMA). Otra implementación que proporciona capacidad variable es un sistema micro-eléctrico-mecánico (MEMS). Este es un dispositivo de conmutación en miniatura que selecciona físicamente un condensador diferente como respuesta a una señal aplicada. El sistema MEMS, no obstante, es típicamente costoso, poco fiable, requiere un voltaje de control sustancial, y posibilita solamente un juego discreto de valores de capacidad preseleccionados.
A causa de su constante dieléctrica variable, los materiales ferro-eléctricos son buenos candidatos para la fabricación de condensadores ajustables u otros componentes ajustables. De acuerdo con las técnicas de medición y caracterización actualmente utilizadas, no obstante, los componentes ferro-eléctricos ajustables han ganado la fama de ser, de manera repetida, sustancialmente sujeto de pérdidas, con independencia de las técnicas de proceso, dopado u otras técnicas de fabricación utilizadas para mejorar sus características de pérdidas. Por lo tanto, no han sido utilizados ampliamente. Los componentes ferro-eléctricos ajustables, que funcionan en las zonas de RF o microondas, se consideran como particularmente sujetos de pérdidas. Esta observación queda soportada por la experiencia en aplicaciones de RADAR, en las que, por ejemplo, las elevadas pérdidas en RF o microondas son la norma convencional para materiales f-e voluminosos (grosor superior aproximadamente a 1,0 mm), especialmente cuando se desea el máximo ajuste. En general, la mayor parte de materiales f-e son sujetos de pérdidas excepto si se toman medidas para mejorar (reducir) sus pérdidas. Estas medidas incluyen, sin que ello sea limitativo: (1) recocido pre y post depósito o ambos, para compensar ausencias o vacantes de O_{2}, (2) utilización de capas tampón para reducir las tensiones superficiales, (3) aleación o tamponado con otros materiales, y (4) dopado selectivo.
Dado que la demanda de ajuste de gama limitada de componentes de baja potencia ha incrementado en estos últimos años, el interés en materiales ferro-eléctricos ha pasado a la utilización de materiales de capa delgada en vez de materiales voluminosos. No obstante, la suposición de altas pérdidas ferro-eléctricas se ha transmitido a la tecnología de capa delgada. Las técnicas de medición convencionales de franja ancha han aumentado la suposición de que los componentes ferro-eléctricos ajustables, voluminosos o de capa delgada, tienen pérdidas sustan-
ciales.
La medición de franja ancha del valor de capacidad de un condensador ferro-eléctrico se obtiene de manera típica utilizando un dispositivo tal como un medidor LRC, analizador de impedancia o analizador de red. A partir de las mediciones de potencia, se puede calcular la característica de pérdidas del condensador. La inversa de las pérdidas es lo que se designa como Factor de Calidad ("Q"). Por lo tanto, un dispositivo que presente pérdidas tendrá un valor de Q bajo, y un dispositivo más eficaz tendrá un valor de Q elevado. Las mediciones de Q para condensadores ferro-eléctricos con capacidades en una gama aproximada de 0,5 pF a 1,0 pF funcionando con una gama de frecuencia de
1,8 GHz a 2,0 GHz, obtenidas utilizando técnicas de medición convencionales, se dice, de manera típica, que se encuentra en una gama de 10-50. Esto es inaceptablemente ineficaz, y los componentes ferro-eléctricos ajustables se consideran por lo tanto poco deseables para su utilización generalizada. En comunicaciones sin cables, por ejemplo, es necesario a frecuencias de 2 GHz un valor de Q superior a 80, y preferentemente superior a 180, y todavía más preferentemente superior a 350.
Tal como se indicará más adelante, los componentes ferro-eléctricos convencionales han sido fabricados, medidos y caracterizados de forma errónea. Como resultado de ello, se supone habitualmente que los componentes ferro-eléctricos ajustables tienen muchas pérdidas con valores de Q en una gama de 10-50 en la banda L. Los dispositivos ferro-eléctricos ajustables que operan en otras bandas de frecuencia se ha dicho también que tienen valores de Q inaceptables para la mayor parte de aplicaciones.
El documento WO 94/13028 da a conocer láminas delgadas ferro-eléctricas y superconductoras, utilizadas en combinación para producir dispositivos ajustables de bajas pérdidas para microondas y ondas mm. En ellos, se pueden disponer varias películas superconductoras de óxido metálico y ferro-eléctricas en numerosas geometrías de capas múltiples que pueden conseguir señales de microondas y de ondas mm por la aplicación de un voltaje a la película ferro-eléctrica.
Un histéresiscopio ferro-eléctrico compensable de características simples se da a conocer en la patente U.S.A. 3.413.543, permitiendo la medición de un voltaje de muestra referenciado a tierra por medio de un osciloscopio, en base a técnicas de retrato de histéresis ferro-eléctrica. En ellas, se obtiene información con respecto a la característica de histéresis de una muestra ferro-eléctrica, de manera que la muestra puede ser conectada a tierra durante la me-
dición.
Características de la invención
Los métodos de prueba de las pérdidas, o su inverso, Q, de películas f-e en la técnica anterior presentan fallos. Los métodos anteriormente conocidos utilizan, de manera típica, métodos de prueba de franja ancha y componentes no integrados. No se han tenido en cuenta, de forma típica, los mecanismos de pérdidas de los métodos de pruebas y dispositivos bajo pruebas. Esto ha conducido a los investigadores a creer que los materiales f-e son propensos a pérdidas.
Un método para la determinación de las pérdidas ferro-eléctricas asociadas a un componente ferro-eléctrico y un correspondiente condensador ferro-eléctrico ajustable, de acuerdo con la invención, se dan a conocer en las reivindicaciones independientes 1 y 11, respectivamente. Se dan a conocer realizaciones específicas del método descrito en la reivindicación independiente 1 en las reivindicaciones dependientes 2 a 10 y 29, y se dan a conocer realizaciones específicas del condensador ferro-eléctrico ajustable descrito en la reivindicación independiente 11 en las reivindicaciones dependientes 12 a 28.
La presente invención da a conocer métodos de prueba en franja estrecha e integración de componentes. Todos los mecanismos de pérdidas son tenidos en cuenta y eliminados o minimizados. Esto tiene como consecuencia resultados más exactos de pruebas, mostrando que algunos materiales f-e son mucho menos propensos a pérdidas que lo anteriormente previsto.
Con este método de prueba, los materiales f-e pueden ser investigados satisfactoriamente para encontrar compromisos ideales entre pérdidas, capacidad de ajuste y otros parámetros. Se pueden construir dispositivos f-e ajustables con bajas pérdidas. Se puede construir un condensador ajustable f-e, de bajas pérdidas. Este condensador puede ser utilizado como componente en muchas aplicaciones en las que se desea capacidad de ajuste, pero las exigencias de pérdidas bajas han impedido la utilización de cualesquiera otros dispositivos ajustables. Una aplicación como ejemplo es la de los dispositivos de comunicación sin cables.
Breve descripción de los dibujos
Los detalles de la presente invención, tanto en lo que respecta a su estructura como funcionamiento, se pueden derivar por estudio de los dibujos adjuntos, en los que los numerales de referencia iguales se refieren a iguales piezas, y en los que:
la figura 1 es una vista en planta de un condensador interdigital fabricado con película ferro-eléctrica delgada;
la figura 2 es una vista en sección de un condensador de intersticio ferro-eléctrico ajustable, de acuerdo con una realización de la presente invención;
la figura 3 es una tabla que muestra la relación entre anchura del intersticio, grosor de la capa ferro-eléctrica y capacidad;
la figura 4 es una vista en planta de un condensador de superposición ferro-eléctrico, de acuerdo con una realización de la presente invención;
la figura 5 es una vista en perspectiva, con las piezas desmontadas, de una parte del condensador de superposición de la figura 4;
la figura 6 es un circuito de pruebas resonante de franja estrecha, de segundo orden, utilizado en una realización de la presente invención;
la figura 7 es una tabla que compara datos obtenidos con el circuito de pruebas de la figura 6 con datos obtenidos utilizando métodos de pruebas convencionales;
la figura 8 es otro ejemplo de una realización de un circuito de pruebas resonante de franja estrecha, de segundo orden, utilizado en la presente invención;
la figura 9 es un circuito de pruebas de franja estrecha, resonador único, utilizado en la presente invención;
la figura 10a es un esquema de otro ejemplo de un circuito de pruebas de franja estrecha, resonador único, utilizado en la presente invención; y
la figura 10b es una realización plana del circuito esquemático de la figura 10a.
Descripción detallada de la invención
La presente invención da a conocer métodos de prueba, utilizando circuitos resonantes de franja estrecha que miden y caracterizan de manera precisa la eficacia de componentes ferro-eléctricos ajustables, en la gama de frecuencias en la que serán utilizados, y con las topologías que serán utilizadas. Estos métodos de prueba y circuitos establecen que los componentes ferro-eléctricos ajustables no son tan uniformemente propensos a las pruebas, tal como se creía con anterioridad, y que pueden ser utilizados ventajosamente en aplicaciones y dispositivos de bajas pérdidas, tales como equipos manuales de comunicación sin cables. Con una determinación precisa de pérdidas, los componentes ferro-eléctricos ajustables pueden ser optimizados y diseñados de manera apropiada. Los mecanismos específicos de pérdidas pueden ser identificados y eliminados, o de otro modo se pueden reducir y
limitar.
Los componentes ferro-eléctricos ajustables, en especial los que utilizan capas delgadas, se pueden utilizar en una amplia variedad de circuitos sensibles a la frecuencia. Son deseables los componentes ajustables porque pueden proporcionar componentes más pequeños en dimensiones y altura, bajas pérdidas de inserción o mejor rechazo para las mismas pérdidas de inserción, menores costes y capacidad de ajuste en más de una franja de frecuencia. La capacidad de un componente ajustable que pueda cubrir múltiples bandas potencialmente reduce el número de componentes necesarios, tales como interruptores que serían necesarios para seleccionar entre bandas discretas o individuales, en caso de utilizar múltiples componentes de frecuencia fija. Estas ventajas son especialmente importantes en equipos de comunicación de tipo manual sin cables, en los que la necesidad para conseguir una mayor funcionalidad y costes y tamaño menores parecen ser exigencias contradictorias. En equipos CDMA, por ejemplo, el funcionamiento de los componentes individuales está sometido a elevadas solicitaciones. Los materiales ferro-eléctricos pueden permitir también la integración de componentes RF que, en la actualidad, han resistido las retracciones, tal como una unidad de interfaz de antena (AIU) para un dispositivo de comunicación sin
cables.
Por ejemplo, un AIU podría integrar uno o varios duplexadores ajustables (US PCS y celulares en dispositivos de comunicación sin cables, en banda dual), diplexadores, elementos PA y LNA. Algunos o la totalidad de estos componentes podrían ser integrados de manera ventajosa, reduciéndose sus dimensiones o volumen total, o ambos, y mejorando su comportamiento electrónico. Otras aplicaciones para componentes ferro-eléctricos se indican en la parte final de esta descripción.
Igual que con cualquier dieléctrico, el material ferro-eléctrico tiene dos mecanismos de pérdidas principales, pérdidas por conductividad y amortiguación de vibraciones reticulares en el dieléctrico. La combinación de los dos efectos es lo que se conoce como tangente de pérdidas del material (tan(\delta)). Para los materiales ferro-eléctricos que se toman en consideración en circuitos ajustables RF o de microondas, predomina la amortiguación de vibraciones en retícula, puesto que no hay portadores de cargas libres. No obstante, cualquier método que mida tan(\delta) incluirá efectos de conductividad finita si existen. La razón de ello es que los efectos de pérdidas de los dos mecanismos no son distinguibles en lo que se refiere a características de RF/microondas.
Un componente principal en circuitos RF es el condensador. La capacidad de ajuste F-E se discutirá a continuación en términos de condensadores f-e. Las pérdidas totales de un condensador, tanto si es ajustable o no, vienen dadas por su factor de calidad (Q) que es expresado como relación entre su energía almacenada con respecto a la energía disipada, de manera que la energía es almacenada en el campo eléctrico y disipada en resistencia. Para un condensador de elementos concentrados, el factor Q (Q_{u}) sin carga viene dado por la ecuación:
(1)Q_{u} = X/R_{s} = 1/(\omega *R_{s}*C)
en la que \omega = frecuencia en radianes; R_{s} = resistencia serie del condensador; y C = capacidad del condensador. R_{s} es medida, y dado que C y \omega son conocidos, Q_{u} puede ser calculado. La resistencia en serie se produce tanto por el conductor como las pérdidas por disipación en el dieléctrico, es decir, tan(\delta).
\newpage
Si un condensador ajustable está integrado en un circuito resonante, el Q (Q_{t}) del sistema viene dado por la siguiente ecuación:
(2)1/Q_{t} = 1/Q_{c} + 1/Q_{d} + 1/Q_{r}
en la que Q_{c} es el valor de Q del conductor; Q_{d} es el valor de Q del dieléctrico y Q_{r} es el valor de Q de la radiación. Para un sistema bien diseñado, no radiante, no hay pérdidas por radiación. Por lo tanto, las pérdidas del conductor y las pérdidas del dieléctrico determinan las pérdidas totales. Las pérdidas dieléctricas son el efecto de la tangente de pérdidas, tan(\delta), incluyendo las pérdidas por conductividad atribuibles al dieléctrico, si estas últimas pérdidas existen. Por lo tanto, para el valor de Q sin carga y el valor de Q total, es crucial una medición correcta de tan(\delta) en la determinación de si se puede fabricar un dispositivo ajustable con características de pérdida aceptables.
Los métodos del resonador de cavidad se utilizan convencionalmente para medir la constante dieléctrica del material y la tangente de pérdidas. Estos métodos son difíciles, especialmente para frecuencias de microondas bajas
(\sim 2 GHz), en las que funcionan los teléfonos celulares, dado que la dimensión de la cavidad es grande. La utilización de métodos cavidad-resonador sobre películas ferro-eléctricas delgadas presenta un mayor problema, dado que es muy difícil medir la perturbación introducida en una cavidad desde una estructura que tiene un grosor del orden de un \mum. El potencial de error es significativo.
A causa de esta dificultad con los métodos de resonadores, se utilizan habitualmente condensadores interdigitales (IDC) para medir la calidad de la película ferro-eléctrica. Se ha mostrado en la figura 1 un condensador interdigital ferro-eléctrico (IDC) (100) en una configuración convencional de microfranja ("microstrip"). El condensador interdigital (100) comprende el sustrato de base (110); una película ferro-eléctrica de película delgada (120); y un primer y segundo conductores (130) y (140). Los condensadores interdigitales se utilizan, de manera típica, en aplicaciones tales como circuitos integrados de microondas de tipo monolítico (MMIC) y en aplicaciones en las que se necesitan pequeñas secciones de base y capacidades del orden de 0,1-6 pF. En un condensador interdigital, la capacidad es creada entre líneas o dedos paralelos y conductores de la estructura.
El sustrato de base (110) comprende, de manera típica, un material de bajas pérdidas, tal como óxido de magnesio (MgO), zafiro o aluminio de alta pureza, por ejemplo. El sustrato se escoge basándose en su tangente de pérdidas intrínsecamente baja y su capacidad de aceptar el depósito directo de una amplia gama de películas f-e sin capas tampón adicionales. Una película ferro-eléctrica delgada (120) es depositada sobre el sustrato de base (110). La película ferro-eléctrica (120) tiene, de manera típica, un grosor del orden de 0,15-1,5 \mum. A continuación, se deposita una capa conductora sobre la película ferro-eléctrica (120). En algunos casos, se necesita una capa de adherencia. La capa conductora es preferentemente un material metálico tal como cobre, oro o plata. Estos metales son ventajosos debido a sus pérdidas relativamente bajas a temperatura ambiente. Para los efectos de la presente descripción, la temperatura ambiente se define como una temperatura comprendida entre -30ºC y +85ºC, que cubre la gama de temperaturas de funcionamiento típica para la mayor parte de componentes comerciales. La capa conductora tiene, de manera típica, un grosor comprendido entre 0,5 y 6,0 \mum, con un grosor del orden de 0,5 a 1,5 \mum de manera más habitual. Las exigencias de grosor varían en base a la profundidad de la capa de recubrimiento ("skin") que varía según
la frecuencia.
Si bien se han explicado materiales f-e de capa delgada (t_{f-e} menor de 1,5 \mum), se pueden utilizar también materiales f-e de película gruesa. En este caso, "película gruesa" se define como t_{f-e} superior aproximadamente a 1,5 \mum y menor de aproximadamente 1,0 mm. El espesor es superior aproximadamente a 1,0 mm. La fabricación y aplicación de un material f-e de película gruesa son muy distintas a las de un material f-e de película delgada. Habitualmente, comporta una técnica de manejo de pasta o un sol-gel, y los materiales f-e para producir el grosor significativamente incrementado. El grosor incrementado y los costes especialmente reducidos se obtienen a expensas de un rendimiento f-e algo degradado, especialmente una capacidad de ajuste reducida.
El condensador interdigital (100) es fabricado a continuación utilizando técnicas de rebaje por ataque ácido ("etch-back" o "lift-off") para formar el primer conductor (130) y el segundo conductor (140). El primer conductor (130) tiene unos dedos (132) y espacios (134) que se encuentran próximos a los dedos (142) y espacios (144) del segundo conductor (140). Los conductores están dispuestos de manera que los dedos (132) del primer conductor (130) se encuentran en espacios (144) del segundo conductor (140) y, por lo tanto, los dedos (142) del segundo conductor (140) se encuentran en espacios (134) del primer conductor (130). Hasta la actualidad, la mayor parte de investigadores y otros técnicos en la fabricación y caracterización de películas f-e han diseñado los IDC con dedos típicamente de
1-5 \mum de anchura, y el intersticio o espacio entre los dedos típicamente de 1-5 \mum de anchura.
La capacidad se crea principalmente entre los dedos (132) y (142). Para generar un alto nivel de capacidad, se requieren dimensiones pequeñas del intersticio (< 5 \mum) y dedos largos. Cuando se utiliza como condensador de ajuste ferro-eléctrico, las dimensiones pequeñas del intersticio ayudan también en la creación de un campo de ajuste grande entre los dedos. Esto es crítico porque una buena parte del campo de ajuste se pierde en la zona de aire situada por encima del condensador (100).
La mayor pérdida de componentes en esta configuración es generada en modalidad impar en la zona de los dedos. El acoplamiento entre las líneas paralelas se puede expresar en términos de modalidad par y modalidad impar. La modalidad par tiene lugar cuando ambas líneas son excitadas en fase (usualmente considerada cero), y la modalidad impar tiene lugar cuando las líneas son excitadas a 180 grados en desplazamiento de fase. En circuitos de microfranja, las velocidades a las que se propagan las modalidades impar y par son distintas. Las pérdidas incrementan además con una capa conductora delgada (menos de 1,5 \mum), reducida anchura de los dedos y reducida separación del intersticio (cualquiera de ellos o ambos menores de 5 \mum) y esquinas agudas.
El proceso normal para la medición de pérdidas de películas ferro-eléctricas delgadas mediante un condensador interdigital es el siguiente. Tal como se ha descrito anteriormente, se depositan aproximadamente 0,5 \mum de película ferro-eléctrica sobre un sustrato de bajas pérdidas, tal como óxido de magnesio. A continuación, una capa conductora de un grosor de 1 micra o menos es depositada para permitir la fabricación de un condensador interdigital de las dimensiones más pequeñas posibles. La anchura de los dedos y la separación del intersticio son ambos, de manera típica, de 1 a 5 \mum. Se utilizan técnicas de rebaje por ataque químico ("etch-back" o "lift-back") para formar dedos estrechos y largos con esquinas agudas. El condensador interdigital resultante se caracteriza por la utilización de una herramienta de medición de franja ancha, tal como un medidor LRC o un analizador de impedancia o de red, con puntas de sonda que establecen contacto con el condensador.
Utilizando este procedimiento, se obtienen condensadores en una gama de 0,2 a 1,5 pF, midiéndose, de manera típica, valores de Q en una gama de 10-100 a una frecuencia operativa comprendida desde aproximadamente 500 MHz hasta aproximadamente 2 GHz. Estas pérdidas se atribuyen de manera típica y por completo a la película ferro-eléctrica. Estos valores de Q se consideran muy bajos y, como consecuencia, se supone habitualmente que los componentes ferro-eléctricos ajustables tienen elevadas pérdidas y no son aceptables para muchas utilizaciones. En comunicaciones sin cables, por ejemplo, un valor de Q superior a 100 y preferentemente superior a 250 es necesario a frecuencias en una gama de 2 GHz para condensadores f-e en las proximidades de 1,0 pF. Tal como se describirá más adelante, no obstante, las técnicas de fabricación convencional y de medición de pérdidas no proporcionan una indicación fiable de las pérdidas reales atribuibles a la película ferro-eléctrica.
Tal como se ha indicado en la ecuación (1), las pérdidas del condensador (ajustable o no) son proporcionales a las pérdidas en serie R_{S} en radiofrecuencia (f > de aproximadamente 500 MHz), siendo despreciable el efecto de la gran resistencia en paralelo que deriva el condensador. El condensador no se ve influido por la fuente de pérdidas en serie, solamente por el hecho de que existe dicha fuente. Por ejemplo, para que un condensador ferro-eléctrico ajustable de 1 pF tenga pérdidas aceptablemente bajas (Q_{u}=250) a 2 GHz, las pérdidas en serie deben ser solamente de 0,32 \Omega. Las pérdidas en serie incluyen las pérdidas totales de todas las fuentes que se generan por la utilización del condensador. A efectos de minimizar o eliminar las fuentes de pérdidas en serie, se deben tener en cuenta, en primer lugar, todos los mecanismos de pérdidas presentes. Esto permitirá una determinación más exacta de las pérdidas atribuibles específicamente a la película ferro-eléctrica.
Para dispositivos f-e, las pérdidas totales están gobernadas por la suma de la contribución de cada una de las fuentes del modo siguiente:
L_{t}= L_{geom} + L_{attach} + L_{metal} + L_{sub} + L_{rad} + L_{meas} + L_{f-e};
en la que
L_{geom} se deriva de la topología del condensador,
L_{attach} significa las pérdidas debidas al acoplamiento del dispositivo,
L_{metal} son las pérdidas totales del metal,
L_{sub} son las pérdidas del sustrato base (si existe),
L_{rad} son las pérdidas por radiación, tanto las deseables como las no deseables,
L_{meas} significa las pérdidas totales que se producen por errores de medición, y
L_{f-e} es la tangente de pérdidas f-e.
Esta atribución de pérdidas puede ser utilizada, en primer lugar, para obtener un valor preciso de L_{f-e} (o f-e tan \delta) para la frecuencia operativa deseada en la manera en la que el condensador f-e se utilizará. Para deducir correctamente L_{f-e}, se deben eliminar o reducir todas las otras fuentes que contribuyen a las pérdidas que se han descrito. Por ejemplo, L_{geom} variará según la topología, siendo la mejor para un condensador de superposición, peor para un condensador de intersticio, y mucho peor para un condensador IDC. Si bien esta pérdida se puede reducir y controlar, es intrínseca de un dispositivo. Como consecuencia, la elección de la topología para un condensador f-e determinado afectará la mejor Q_{c} que es posible obtener del condensador f-e. El software electromagnético (EM) puede establecer una pérdida base para una geometría deseada, suponiendo una película f-e sin pérdidas. Esta línea base de pérdidas representa la pérdida mejor (más baja) para una geometría determinada.
En general, un condensador de intersticio es el más fácil de fabricar. Un condensador IDC es el siguiente más fácil, y el condensador de superposición es el más difícil de los tres. En comparación con un IDC, el condensador de intersticio tendrá un valor de Q mejor pero una capacidad más baja por unidad de sección transversal (W en la figura 1a). La capacidad del IDC es superior debido a la utilización de una serie de dedos por unidad de sección transversal. Para muchas aplicaciones de filtros de comunicación, no obstante, no se necesita una gran capacidad
(C \geq 4,0 pF). Por lo tanto, un condensador de intersticio puede proporcionar frecuentemente la capacidad adecuada. El valor intrínsecamente alto de \kappa para la mayor parte de películas f-e ayuda a proporcionar una capacidad relativamente elevada por unidad de sección transversal, W, en comparación con un condensador convencional de intersticio.
L_{attach} procede de técnicas de acoplamiento de dispositivos separados, incluyendo, por ejemplo, soldadura, pintura de plata o unión mediante cables. Estas pérdidas de acoplamiento pueden ser grandes y poco predictibles. Las pérdidas más bajas se consiguen por la fabricación directa del condensador f-e en el resonador u otros circuitos RF, minimizando de esta manera o eliminando este componente de pérdidas.
Las pérdidas intrínsecas de un condensador f-e independiente son poco trascendentes. Lo que es mucho más importante, son las pérdidas adicionales producidas por el acoplamiento del condensador f-e a un circuito. Incluso si el condensador f-e no tuviera pérdidas, en caso de utilizar una conexión con grandes pérdidas, el efecto global sería el de un dispositivo f-e propenso a pérdidas ("lossy"). Por ejemplo, si se desea Q \geq 250 a 2,0 GHz para una capacidad de 1,0 pF, entonces la resistencia total en serie R_{s} debe ser \leq 0,32 ohm. De este modo, cualquier pérdida adicional reducirá adicionalmente el valor de Q de este condensador. Que esta pérdida adicional sea externa con respecto al condensador real, es irrelevante. Incluso los mecanismos de pérdidas inevitables, tales como los debidos al montaje, por ejemplo, reducen el valor efectivo de Q del condensador desde el punto de vista de su efecto sobre los sistemas.
Para tener un mínimo de pérdidas añadidas, la conexión entre el condensador f-e y el resonador debe proporcionar la resistencia añadida más baja. Por lo tanto, las corrientes eléctricas y cargas asociadas con el condensador f-e deben tener un mínimo de pérdidas añadidas. Las técnicas convencionales de unión o de montaje, tales como (sin que sirva de limitación) soldadura, unión por cables o pintura de plata o pasta, no proporcionan esta unión controlable y de bajas pérdidas.
Las pérdidas añadidas, no predictibles, que se producen por la utilización de estos métodos de unión degradan el valor de Q conseguido con independencia de si el condensador f-e está siendo utilizado o no para objetivos de ajuste del resonador o caracterización de una película f-e. Por lo tanto, para conseguir el mejor rendimiento (pérdidas más bajas), la estructura del condensador f-e debe ser fabricada directamente sobre el resonador o con el resonador que está destinado a ajustar o sobre otros circuitos RF esenciales. Solamente por fabricación directa puede producirse una transición de pérdidas mínimas para fuentes (corrientes) electromagnéticas (EM) desde los elementos de ajuste f-e al resonador. Los efectos deseables de la fabricación de condensadores f-e de forma directa sobre un resonador, o con el mismo, se pueden incrementar por la ausencia de esquinas agudas o transiciones.
Los factores para L_{metal} incluyen la rugosidad superficial (SR) del metal, grosor del metal en comparación con el grosor del recubrimiento ("skin"), \deltas, y conductividad. La rugosidad SR puede ser eliminada de manera efectiva como factor, si SR es menor aproximadamente 0,254 \mum (10 micropulgadas) raíz de cuadrados medios (rms) para frecuencias operativas en la banda L y S (1-4 GHz). El grosor del metal se puede reducir como factor si el grosor es de 1,5 \deltas o superior, o se puede eliminar de manera efectiva si el grosor es \geq 5 \deltas. Para contactos de electrodos, el grosor del metal (t_{m}) puede ser aproximadamente de 1,5 \deltas. Para el caso de resonadores electromagnéticos, en los que se tiene que soportar una onda en desplazamiento o fija, es decir, en los que el metal en cuestión se extiende en una fracción apreciable de una longitud de onda (aproximadamente 10% o más), el grosor del metal debe encontrarse más próximo a 5 \deltas aproximadamente o superior.
La conductividad es óptima para Au, Cu o Ag. Por lo tanto, L_{metal} se puede reducir y controlar, pero no eliminar como factor. Su efecto, no obstante, puede ser calculado por expresiones bien conocidas por los técnicos en la materia, o utilizando herramientas de cálculo en línea, disponibles a simuladores de circuito habitualmente utilizados, tales como Eagleware o Touchstone. Además, el control de fabricación preciso puede limitar las variaciones geométricas en L_{metal}.
La contribución de pérdidas representada por L_{sub} se puede minimizar escogiendo un sustrato de pocas pérdidas con una tangente de pérdidas menor de 0,001 y preferentemente menor de 0,0005 para la frecuencia operativa de interés. Los materiales adecuados incluyen alúmina pura >99%, que es una elección habitualmente óptima para ventajas de pérdidas/costes. El zafiro o MgO son mejores que la alúmina por el hecho de que tienen tangentes de pérdidas menores, pero tienen un precio más elevado. Todos estos materiales aceptarán muchas películas delgadas f-e sin capas tampón y teniendo una rugosidad superficial que es aceptable con poco o ningún pulido. Los sustratos semiconductores son soluciones poco aceptables a causa de su conductividad relativamente alta. Además de los factores de tangente de pérdidas, rugosidad superficial y precio, los sustratos adecuados no deben ser frágiles, pudiendo ser fabricados como obleas de área grande, y pudiéndose metalizar fácilmente sin preproceso extenso.
Se puede conseguir la separación de L_{sub} con respecto a las pérdidas totales de un sustrato compuesto (película
f-e más el sustrato), por la utilización de un campo EM o software de simulación de circuito. Por ejemplo, se pueden utilizar Sonnet, Momentum o IE3D. Por lo tanto, L_{sub} se puede reducir significativamente y se puede calcular de forma precisa.
L_{rad} puede ser eliminado por apantallado y diseño apropiados, y por lo tanto no es típicamente un factor a tener en cuenta. Se debe observar que una amplia variedad de filtros, especialmente filtros planos tales como los de modelo peine ("combline") o de horquilla ("hairpin"), dependen del acoplamiento radiante para conseguir su rendimiento deseado. En estos casos, se debe asegurar que se reduce el acoplamiento disperso no deseado, si no se llega a
eliminar.
L_{meas} puede aumentar significativamente el error de pérdidas del circuito, dado que las pérdidas añadidas pequeñas reducen significativamente el valor de Q medido del dispositivo sometido a pruebas (DUT) o del sistema, ocultando por lo tanto el valor intrínseco de Q del DUT. El método convencional para la medición de la constante dieléctrica y de la tangente de pérdidas en un material es la técnica de perturbación de cavidad, que es bien conocida por los técnicos en la materia. No obstante, en la banda L, las dimensiones de la cavidad resultan muy grandes. Cuando se caracterizan películas delgadas (en oposición a gruesas) con espesores de película \leq 1,5 \mum, tales como películas f-e, el problema resulta difícil dado que los errores de medición pueden ser importantes. Además, se debe caracterizar un condensador f-e (o filtro) de manera muy similar a la forma en la que será utilizado. Por lo tanto, la forma preferente de caracterizar componentes o películas f-e es por las técnicas de resonador de microfranja.
Para mediciones en circuitos resonantes, es preferible un analizador de red. Para minimizar las pérdidas de medición y conseguir la medición más exacta utilizando un analizador de red, las pérdidas DUT deben ser calibradas, se debe llevar a cabo un calibrado completo de dos puertas del analizador, y se debe utilizar el promedio para la calibración y medición.
Por minimización o eliminación del acoplamiento de dispositivo, sustrato, radiación y componentes de pérdida de error de medición, la pérdida total resulta ser:
(4)L_{tot} = L_{geom} + L_{metal} + L_{f-e} + \Delta L_{misc}
L_{tot} es la pérdida total para una geometría determinada de un condensador ferro-eléctrico, y L_{geom} y L_{metal} son partes integrales de dicha geometría. Su presencia es apropiada para determinar la pérdida real de un dispositivo específico, pero se pueden cuantificar y eliminar a efectos de determinar las pérdidas debidas únicamente al material ferro-eléctrico. L_{geom} puede ser determinada a partir de una simulación electromagnética precisa del circuito, suponiendo un material ferro-eléctrico sin pérdidas; y L_{metal} puede ser determinada utilizando las expresiones para pérdida del metal, suponiendo conductividad, rugosidad superficial (si es aplicable) y profundidad del recubrimiento ("skin"). \DeltaL_{misc} representa una combinación de la eliminación incompleta de los otros mecanismos de pérdidas con los límites finitos de L_{geom} y L_{metal}.
Este proceso de dos etapas de (a) contabilizar todos los mecanismos de pérdidas; y (b) eliminar o limitar estas pérdidas, permite no solamente una determinación precisa de las pérdidas ferro-eléctricas, sino también ayuda a establecer normas de diseño correctas para componentes ajustables con pérdidas reducidas. El conocimiento correcto de L_{f-e} permite determinar, en primer lugar, si la película en consideración puede ser utilizada para una aplicación propuesta. El conocimiento de L_{f-e} proporciona además una línea base necesaria para cualquier tipo de diseño óptimo utilizando películas ferro-eléctricas. Este conocimiento es necesario si se tiene que buscar efectivamente un compromiso entre la tangente de pérdidas y la capacidad de ajuste. Es decir, técnicas de fabricación y de medición precisas tienen como resultado una caracterización fiable de las pérdidas de las películas ferro-eléctricas.
Basándose en este análisis de pérdidas, los componentes ferro-eléctricos ajustables con pérdidas bajas y, en particular, los condensadores ferro-eléctricos ajustables, pueden ser diseñados, probados e implementados en una amplia variedad de aplicaciones. A continuación, se explicará el procedimiento de diseño y la implementación, basándose en este análisis de pérdidas para tres tipos habituales de condensadores: (1) condensadores de intersticio, (2) condensadores de superposición ("overlay") y (3) condensadores interdigitales.
En la figura 2 se ha mostrado un condensador de intersticio ajustable ferro-eléctrico (200). El condensador de intersticio (200) comprende una capa de sustrato (202); una capa ferro-eléctrica (204) y una capa de metal (206) que definen un intersticio (208) inductor de la capacidad. La siguiente implementación de diseño minimiza las pérdidas de otras fuentes y permite una determinación precisa de las pérdidas debidas a la película ferro-eléctrica (204). Supone una frecuencia operativa en la banda L (1-2 GHz) para equipos manuales sin cables, si bien los mismos métodos podrían ser aplicables en otras bandas.
En una implementación, el sustrato (202) es una capa de alúmina pura al 99,5% con un grosor comprendido en una gama de valores de 0,508-1,016 mm (20-40 mils). La rugosidad superficial debe ser menor o igual que
127 \mum (5 \mupulgadas) rms aproximadamente. La capa ferro-eléctrica (204) es una película de titanato de bario y estroncio, Ba_{X}Sr_{1-x}TiO_{3}, (BSTO) que tiene un grosor en una gama de valores de 0,15 a 2,0 \mum. Utilizando un grosor de pelí-
cula > 1,0 \mum, se hace máxima la capacidad y la gama de ajuste.
Ajustando la fracción Ba/Sr, se escogen preferentemente el dopado o recosido para conseguir el valor mínimo de tan \delta, proporcionando al mismo tiempo, la gama de ajuste requerida. En una realización, x = 0,5 (en Ba_{X}Sr_{1-x}TiO_{3}) para funcionamiento a temperatura ambiente. También se pueden utilizar otros materiales ferro-eléctricos alternativos. La capa metálica (206) tiene un grosor aproximado de 2,5 \mum, lo que la hace adecuada para aplicación de electrodos. El intersticio (208) tiene una anchura de 0,762-2,032 mm (30-80 mils), y los bordes deben ser redondeados para hacer máxima la reducción de las pérdidas. La capacidad demostrada por el intersticio (208) se encuentra en una gama de 0,6 pF a 1,5 pF a 0 voltios en corriente continua.
Las simulaciones EM indican que, para una capacidad aproximadamente de 1 pF a 2 GHz, el condensador de intersticio tiene un valor Q>700, suponiendo una tangente de pérdidas de 0,002 o Q>300, suponiendo una tangente de pérdidas de 0,005. La figura 3 es una tabla que muestra la relación entre la anchura del intersticio, grosor de la capa ferro-eléctrica y la capacidad. Estos datos son muy útiles para fijar objetivos de diseño de circuitos de pruebas de condensadores de intersticio. Los resultados de la figura 3 suponen una película ferro-eléctrica con un grosor de
0,5 \mum con una constante dieléctrica de valor 1000 a 0 V corriente continua, una capa de sustrato con un grosor de
1,016 mm (40 mil) de alúmina pura al 99,5%, y una tangente de pérdidas de 0,002 para una película f-e.
Un condensador (300) ferro-eléctrico de superposición, de acuerdo con la presente invención, se ha mostrado en la figura 4. El condensador (300) comprende el sustrato (310), la capa de polarización (320); capa ferro-eléctrica (330); y la capa de patillas del condensador (340). La capa de polarización (320) define una capa de polarización en corriente continua y la capa de condensador (340) define la capa de condensador (342) y la capa de condensador (344) de bloqueo de corriente continua.
En una implementación, el sustrato de base (310) es de alúmina con un grosor en una gama de valores de 0,508-1,016 mm (20-40 mils). La capa de polarización (320) comprende una capa de electrodo base de plata, con un grosor aproximado de 2,0 \mum cubierto por una capa de platino que tiene un grosor aproximado de 100 nm. La capa de platino impide la oxidación de la capa de plata durante el crecimiento de la capa ferro-eléctrica. La capa (320) tiene una patilla incorporada para conectar una resistencia de una gama de valores de 0,5 a 1,0 M\Omega para conseguir polarización en corriente continua. En caso necesario, una delgada capa de cromo (10 nm) puede ser interpuesta entre la alúmina y la plata para conseguir mejor adherencia. La capa ferro-eléctrica (330) es una capa delgada BSTO que tiene un grosor aproximado de 1 micra. La patilla (342) del condensador tiene un área mínima de 203,2 por 101,6 \mum (8,0 por 4,0 mils) y está recubierta por electrodos de oro o plata que tienen un área aproximada de 101,6 por 101,6 \mum (4,0 por 4,0 mils). El condensador de bloqueo de corriente continua tiene una capacidad mínima de 150-200 pF y un área aproximadamente de 100 por 100 \mum. El área total de la patilla de contacto (344) es como mínimo de 177,8 por
203,2 \mum (7,0 por 8,0 mils).
Un condensador de superposición tiene una capacidad mínima en una gama de 0,8-1,5 pF. Tal como se puede apreciar en la figura 5, que es una vista a mayor escala de una parte del condensador (300), el área de superposición (350) del condensador (300) es muy pequeña. En una implementación, el área de superposición (350) tiene dimensiones de 7,62 \mum por 7,62 \mum (0,3 mil por 0,3 mil). Esto se basa en una constante dieléctrica BSTO de valor aproximado
1000 a 0 V en corriente continua y un grosor de película aproximado de 1,0 \mum. Las patillas (342) y (320) están inclinadas hacia y desde el área de superposición (350) del condensador. La inclinación está comprendida entre
101,6 \mum (4,0 mils) hasta aproximadamente 6,35 \mum (0,25 mils) en una distancia de 25,4 \mum (1,0 mil).
El objetivo de pérdidas para el condensador (300) es un valor de Q mínimo de 350 a 2,0 GHz para 1,0 pF. En caso necesario, la película ferro-eléctrica (330) puede ser optimizada adicionalmente por dopaje, recosido o utilización de una capa o capas tampón. Finalmente, el cambio de capacidad debe ser preferentemente 2:1 (50%) o superior para un cambio en el voltaje de polarización de 0-2,5 voltios.
Un aspecto de la presente invención es conseguir criterios óptimos para estructuras y diseño para componentes ferro-eléctricos ajustables, de los cuales las estructuras de condensador que se han descrito anteriormente son un ejemplo. Otros aspectos de la presente invención consisten en métodos de medición y aparatos para caracterizar de manera precisa las pérdidas en componentes ferro-eléctricos ajustables. Estos métodos comportan la utilización de resonadores y circuitos resonantes de franja estrecha. Las mediciones de franja estrecha son apropiadas dado que los dispositivos objeto de medición están diseñados para funcionar en una franja estrecha de frecuencias. Las mediciones de franja estrecha (resonantes) son también preferentes dado que incrementan, de manera natural, el efecto de pequeñas pérdidas haciéndolas más fáciles de medir, y hacen la medición más precisa. Los métodos anteriores han comportado mediciones de franja ancha, que no son apropiadas y son inexactas para dispositivos de franja estrecha. Dos implementaciones de la invención de estos circuitos resonantes de comprobación se describirán a continuación: filtros de paso banda de franja estrecha de segundo orden y circuitos de resonador de microfranja (media onda o un cuarto de onda).
La figura 6 muestra un circuito de pruebas de franja estrecha resonante (400) configurado para la prueba de dos condensadores ferro-eléctricos (410) y (412). Es un filtro de tipo peine ("combline") plano, de segundo orden. Los condensadores (410) y (412) están configurados tal como se ha descrito con respecto a la figura 1 y a la figura 2, y están realizados para minimizar componentes de pérdidas. El circuito de pruebas (400) comprende un filtro de paso banda de tipo peine, de segundo orden, plano, y comprende dos resonadores (402) y (404) acoplados en serie, respectivamente, con los condensadores ferro-eléctricos (410) y (412). Un voltaje de polarización de tipo continuo es aplicado a los condensadores (410) y (412). Los condensadores (410) y (412) pueden ser fabricados y montados para pruebas como elementos discretos o por impresión directamente sobre el sustrato. No se han mostrado condensadores de bloqueo de DC (capacidad igual aproximadamente a 180 pF). En una configuración de elementos discretos, los condensadores están soldados o acoplados con una pintura o pasta de plata. Esto permite la utilización de una amplia variedad de dispositivos, no obstante, existe una pérdida incrementada y no predictible debido a este método de montaje. En una configuración impresa, los condensadores están impresos directamente sobre el sustrato. La impresión es ventajosa por el hecho de que no se requiere soldadura o pegado y existe una pérdida reducida debido a la fabricación directa. El tipo de sustratos que pueden ser utilizados está limitado, no obstante, a la presencia de la película ferro-eléctrica. No se han mostrado condensadores de bloqueo de DC.
La respuesta es medida mediante líneas de entrada y de salida (406) y (408) conectadas a un analizador de red. Una medición de la frecuencia f_{0} del centro del resonador permite la determinación del valor real del condensador (ver ecuación (1) anterior), y las pérdidas de inserción a f_{0} determinan el condensador Q. Después de haber obtenido estas mediciones, se puede utilizar una simulación de circuito para obtener la capacidad y valores Q, y se pueden comparar los resultados.
A efectos de demostrar la notable diferencia en los resultados de prueba obtenidos utilizando el método de pruebas de la presente invención, con respecto a los métodos de pruebas convencionales, se hará referencia a la figura 7. La tabla de la figura 7 representa datos de medición obtenidos a partir de muestras de condensadores interdigitales ferro-eléctricos, fabricados en el Naval Research Laboratory (NRL), Washington DC, bajo contrato con Kyocera Wireless Corporation (KWC), titular de la presente invención. La capacidad y mediciones de Q tomadas de muestras de condensador interdigital en NRL, utilizando métodos de pruebas convencionales (en este caso, un Analizador de Impedancia HP 4291B y una sonda de microondas Cascade Tech) se comparan a mediciones realizadas a partir de las mismas muestras en KWC utilizando los nuevos métodos de pruebas descritos anteriormente.
A los efectos de este experimento, los condensadores interdigitales han sido fabricados de manera que tengan una capacidad en una gama de 0,5-1,2 pF; una separación de intersticio aproximadamente de 5,0 \mum; una anchura de los dedos mínima de 150 \mum; un grosor de la película ferro-eléctrica aproximadamente de 0,5 \mum; un grosor metálico en una gama de 1,5-2,5 \mum; y una longitud de los dedos menor o igual a 100 \mum.
El circuito de pruebas KWC está configurado de manera similar al circuito (400). Es un filtro de paso banda Chebychev plano, de segundo orden, configurado para resonar aproximadamente a 1800 MHz. Las muestras de condensador interdigital, condensadores de elementos discretos, fueron montados "flip-chip" y fijados utilizando pintura de plata. Se aplicó una corriente de polarización para corregir el hecho de que, típicamente, C1\neqC2, siendo C1 y C2 los dos condensadores de carga del filtro, de paso banda, de tipo peine ("combline"), requeridos para corregir el funcionamiento del filtro. Mientras C1 está destinado a ser igual a C2, en la práctica C1=C2 se consigue raramente. A condición más habitual de C1\neqC2, incrementa significativamente las pérdidas de inserción de paso banda (en lo que se refiere a la determinación de Q) si no se corrige.
Se utilizaron condensadores ATC y AVX de chip de Q elevado de una gama de 0,6 a 0,8 pF, para establecer una pérdida de inserción de banda de paso de línea base. El valor de Q para estos condensadores de chip era del orden de 600-800 a la frecuencia de pruebas. Se utilizó un simulador de circuito Eagleware para determinar la capacidad real y valores de Q para que los condensadores interdigitales proporcionaran la misma frecuencia resonante y pérdidas de inserción de banda de paso que los datos medidos.
Los datos de la figura 7 son esencialmente el peor caso de Q, dado que no se hizo intento alguno de eliminar (eliminación por calibrado) todos los posibles componentes de pérdidas. Uno de dichos componentes de pérdidas comprende pérdidas de la unión (acoplamiento) que son diferentes para cada línea y para cada condensador interdigital. Otra es el desacoplamiento en longitud del resonador resultante; efectos del extremo abierto del intersticio de microfranja por debajo de la localización de los condensadores; y pérdidas que se producen por la geometría del condensador interdigital básico. Al ser este el caso, la diferencia en los valores de Q obtenidos por utilización de la presente invención, con respecto a métodos convencionales, es incluso más sorprendente. La reducción adicional o eliminación de fuentes de error tales como, por ejemplo, la fabricación directa de condensadores de intersticio utilizando un sustrato de alúmina o de MgO solamente mejorará los datos de Q.
La utilización de un filtro de paso banda, de segundo orden como circuito de pruebas resonante de franja estrecha tiene varias ventajas. Los datos del condensador pueden ser extraídos a la frecuencia de funcionamiento. La topología es simple, repetible y fabricada de modo sencillo. Las mediciones son simples y existen pocos errores añadidos por el hecho de realizar las mediciones. Los resultados son fáciles de comparar con los resultados simulados. Existen también varias desventajas que se deben observar. El potencial para diferencia de valores de capacidad, que se ha descrito anteriormente, puede aparecer en los datos de medición como pérdidas incrementadas. Un pequeño ajuste en uno de los voltajes de polarización, no obstante, puede compensar esta discrepancia. Asimismo, la capacidad dispersa y el acoplamiento pueden afectar los valores de f_{0} y Q obtenidos. Estos efectos se pueden tener en cuenta también con intermedio del simulador de campo EM. El montaje desigual de los condensadores f-e tiene como resultado ligeras diferencias en las dos longitudes eléctricas de los resonadores, lo que aumenta directamente el I.L. La desalineación de los condensadores f-e puede tener también como resultado un aumento de las pérdidas, manifestándose en forma de un valor de Q más bajo.
Otra realización de otro circuito de pruebas resonante de franja estrecha de segundo orden (450) se ha mostrado en la figura 8. El circuito de comprobación (450) adopta la forma de un filtro ajustable con resonador coaxial, si bien pueden ser también utilizados otros resonadores, tales como los de tipo monobloque, franja estrecha ("stripline") o microfranja ("microstrip"). También en este caso, los condensadores ferro-eléctricos (452) y (454) pueden quedar integrados por elementos individuales o impresos. El circuito de pruebas (450) comprende además resonadores (462) y (464) de cuarto de longitud de onda coaxiales. El condensador no ferro-eléctrico (470) (C2) está acoplado entre los resonadores (462) y (464), y los condensadores no ferro-eléctricos (472) y (474) (C1) están acoplados en los exteriores de los resonadores. La estructura básica es un BPF convencional con ajuste fijo de segundo orden, acoplado capacitivamente.
La técnica de medición que utiliza el circuito (450) es la siguiente. El rendimiento del BPS es medido, en primer lugar, sin los condensadores f-e colocados, y luego con los mismos. En el primer caso, la frecuencia central del resonador f_{01} y la pérdida de inserción IL_{1} del filtro se miden, en primer lugar, sin condensadores ferro-eléctricos. En el segundo caso, la frecuencia central del resonador f_{02} y la pérdida de inserción IL_{2} del filtro se miden con condensadores ferro-eléctricos (452) y (454). De forma destacada, f_{01} siempre será superior que f_{02} e IL_{2} será siempre superior a IL_{1}, siempre que los resonadores (462) y (464) tengan la misma longitud. La capacidad C_{fe} puede ser determinada a partir de f_{01}-f_{02}, y Q(C_{fe}) se puede determinar a partir de IL_{2}-IL_{1} por comparación con simulaciones con gran exactitud. Los condensadores f-e no necesitan ser añadidos al circuito original. En vez de ello, el BPF básico, superior, acoplado capacitivamente puede ser fabricado sin condensadores f-e, y un segundo BPF puede ser fabricado con condensadores f-e directamente. Esto conduciría a un circuito de pruebas ajustable, con mínima añadidura de pérdidas, dado que permite una fabricación directa de condensadores f-e con el circuito.
Un circuito alternativo de pruebas comportaría la utilización de resonadores físicamente más cortos (462) y (464) cuando se utilizan conjuntamente con condensadores f-e. Esto provocaría que el BPF resonara a la misma frecuencia resonante que el BPF no f-e, o cerca de la misma. Se utilizaría el mismo método de extracción de Q del conden-
sador f-e.
El circuito de pruebas de segundo orden (450) tiene varias ventajas con respecto al circuito de pruebas de segundo orden (400). Tanto el circuito (400) como el circuito (450) son intrínsecamente estructuras de franja estrecha, pero los resonadores coaxiales (462) y (464) pueden tener un valor de Q muy elevado, con el resultado de una pérdida de inserción muy baja. Se produce muy poca dispersión de acoplamiento debido al apantallado intrínseco. Asimismo, igual que con el circuito (400), el circuito de pruebas (450) no es solamente un circuito de pruebas sino que podría ser utilizado como filtro de paso banda en aplicaciones reales. No obstante, el circuito (450) es un poco más difícil de fabricar y de comprobar. La disposición de utillajes es crítica y la añadidura de condensadores ferro-eléctricos tiene como resultado pérdidas extraordinarias debido al montaje. Esto puede ser superado mediante fabricación directa de los condensadores ferro-eléctricos en el mismo circuito utilizado para realizar C1 y C2, y a continuación tendiendo un circuito adicional sin condensadores ferro-eléctricos.
El circuito y métodos de pruebas se pueden simplificar adicionalmente utilizando un resonador único en vez de dos. Esto elimina el problema de desacoplamiento del condensador. El circuito resultante es más robusto, fácil de modelar y menos propenso a errores. Se debe observar que, si bien los resultados mostrados en la figura 7 son los resultados de pruebas en condensadores interdigitales, se pueden utilizar ventajosamente condensadores de intersticio o de superposición, dado que ambos tienen valores de Q más elevados que los condensadores interdigitales.
Se ha mostrado en la figura 9 un circuito de pruebas (500) que comprende un resonador de microfranja acoplado por intersticio en su forma más simple. El circuito (500) comprende un sustrato de bajas pérdidas (502) y un resonador de microfranja (504), separados con respecto a la línea de entrada (506) por un intersticio (508). Una película delgada ferro-eléctrica es depositada en el intersticio (508) para crear el condensador ferro-eléctrico de intersticio. Por lo tanto, el resonador (604) y el condensador de intersticio son fabricados como estructura única integrada. De manera alternativa, un material ferro-eléctrico puede ser depositado por debajo del resonador (504), creando un resonador ajustable.
El sustrato (502) debe ser un sustrato de alta calidad y bajas pérdidas, tales como óxido de magnesio, alúmina que tiene una pureza superior a 99% y zafiro. El sustrato (502) debe tener también un SR bajo (menos de 0,127 \mum) (5,0 \mupulgadas). El resonador (504) puede ser un resonador de media longitud de onda (circuito abierto) o de un cuarto de longitud de onda (circuito corto). Un resonador de media longitud de onda es más largo pero más fácil de fabricar, mientras que un resonador de cuarto de longitud de onda es más corto pero requiere conductores de entrada. La anchura del intersticio (508) se escoge para acoplamiento próximo al crítico.
Se utiliza preferentemente un analizador de red para las mediciones de la capacidad y de Q. El modelo para capacidad de intersticio y expresión de pérdidas del metal se utilizan para deducir el valor de Q del dieléctrico, que, en este caso, es un valor combinado del Q del sustrato base y del Q de la película ferro-eléctrica delgada. Por lo tanto, el valor de pérdidas añadido al del sustrato de base representa las pérdidas de la película ferro-eléctrica. Finalmente, se requiere un análisis apropiado de los datos medidos, tal como el que se indica en la publicación "Data Reduction Method Q Measurements of Strip-Line Resonators", IEEE Transactions in MTT, S. Toncich and R.E. Collin, Vol. 40, Nº 9, Septiembre 1992, páginas 1833-1836, para deducir de manera precisa el valor de Q, o pérdidas, del condensador sometido a prueba.
Es útil comparar, a continuación, los métodos de prueba resonantes de franja estrecha de segundo orden y circuitos descritos con referencia a las figuras 6-8, por el método de prueba de resonador único acoplado por intersticio y el circuito descrito con referencia a la figura 9. El resonador único acoplado por intersticio es ventajoso por ser pequeño, simple y muy fácil de fabricar. Tampoco requiere ajuste para ningún posible desajuste de los condensadores de entrada y salida C1. No obstante, el más difícil de deducir la tangente de pérdidas ferro-eléctricas del sustrato global y pérdidas de acoplamiento del condensador. Los circuitos resonantes de segundo orden, por otra parte, pueden ser dispositivos reales además de ser circuitos de pruebas. Además, es muy fácil comparar los datos medidos a cualesquiera datos de simulación o datos obtenidos durante la utilización de condensadores no ferro-eléctricos con valores elevados de Q. Los inconvenientes de los circuitos de segundo orden consiste en ser circuitos más grandes, más complejos y en los que puede ser necesario un ajuste superior de los condensadores ferro-eléctricos para obtener pérdidas mínimas por inserción.
Las figuras 10a y 10b muestran un circuito de comprobación resonante preferente (600) de franja estrecha para comprobación. El circuito (600) adopta la forma de un filtro de paso banda de resonador único. Haciendo referencia a la figura 10a, que es un esquema del circuito (600), dicho circuito (600) comprende un condensador ferro-eléctrico (610) acoplado a un resonador (620). Los condensadores (630) y (640) C1 son condensadores de entrada y salida que conectan los resonadores al instrumento de medición.
La figura 10b es una realización plana del circuito (600). Tal como se puede apreciar, el condensador (610) y el resonador (620) son fabricados en forma de componentes integrados. La película ferro-eléctrica (616) es depositada sobre un sustrato de bajas pérdidas (602). El resonador (620) y la patilla conductora (612) están separados por el intersticio (614) sobre la película ferro-eléctrica (616) para definir un condensador ferro-eléctrico de intersticio (610). Se aplica un voltaje de polarización en corriente continua a la patilla (612), pudiendo incluir una resistencia (625). Un condensador de bloqueo DC (618) está conectado entre la patilla (612) y masa. Los condensadores (630) y (640) están realizados por franjas conductoras (632) y (642) depositadas sobre el sustrato (602) que están separadas del resonador (620) para formar un intersticio capacitivo.
En una implementación, el sustrato (602) está formado a partir de alúmina pura al 99,5% y tiene un grosor aproximado de 1,016 mm (40 mils), así como un SR de aproximadamente 0,127 \mum (5,0 \mupulgadas). La película ferro-eléctrica (616) tiene un grosor aproximado de 1,0 mm y está depositada solamente en la zona del condensador de intersticio (610). Las microfranjas (612) y (620) tienen un grosor de 4-6 \mum y están separadas aproximadamente en
10 \mum definiendo un intersticio (614). La longitud del resonador (620) se selecciona de manera que la estructura general (condensador (610) y resonador (620)) produce resonancia en la banda de frecuencia deseada. En una implementación, el resonador (620) es un resonador de cuarto de onda. Se pueden utilizar otros ciclos de fabricación para el ajuste fino de la frecuencia resonante si se desea o se requiere una frecuencia resonante específica.
El resonador (620) puede ser configurado en forma de microfranja, resonador coaxial o línea delgada ("stripline"). Es preferible una configuración plana de la microfranja, dado que facilita una deducción más fácil de la capacidad y valores Q del circuito (600). La utilización de una estructura de componente integrado (es decir, un resonador que tiene un condensador de intersticio integrado, tal como resonador (620)/condensador (610)) es ventajosa con respecto a la utilización de un resonador separado y un condensador de elementos discretos, dado que las pérdidas no predictibles y difíciles de medir y los errores introducidos por un condensador de elementos discretos son eliminados.
Un método de pruebas que utiliza un circuito de pruebas de paso banda, resonador único, tal como el circuito (600), depende de la manera siguiente. En primer lugar, se fabrica tal como se ha descrito anteriormente, un circuito de pruebas con filtro de paso banda resonador único que tiene un condensador de intersticio integrado. Se deben utilizar fabricación precisa de capa delgada y técnicas de proceso para asegurar que se obtienen la geometría y características deseadas. Preferentemente, se debe utilizar una técnica con tolerancias en una gama de \pm0,5 \mum. Una vez que el circuito ha sido fabricado, se mide la frecuencia central f_{0} y las pérdidas de inserción IL_{0}. Preferentemente, estas mediciones son obtenidas utilizando un analizador de red calibrado por medio de calibración completa de dos puertas y utilizando el promedio.
A continuación, se diseña y analiza el mismo circuito sobre un dispositivo de simulación de campo electromagnético tal como Sonnet, IE3D ó Momentum. Inicialmente, la simulación supone que no existen pérdidas debido a la película ferro-eléctrica (es decir, una tangente de pérdidas de valor 0). A continuación, se ajusta la constante dieléctrica ferro-eléctrica en la zona del intersticio para conseguir la misma frecuencia central f_{0} medida en el circuito de pruebas. A continuación, se calcula IL_{0} para el condensador de intersticio ferro-eléctrico solo. Este valor se utiliza a continuación en la simulación, para tener en cuenta el componente de pérdidas L_{metal} asociado con el metal.
A continuación, se hace funcionar otro circuito de simulación pero esta vez utilizando una tangente de pérdidas no nula. En una implementación, se utiliza una tangente de pérdidas de 0,003 y se recalcula IL_{0}. Este proceso iterativo se continúa hasta que se obtienen las pérdidas por inserción medidas IL_{0} del circuito de pruebas, dando lugar, de este modo, a una aproximación muy exacta de la tangente de pérdidas para el circuito, así como la componente de pérdidas L_{geom} debida a la estructura específica objeto de pruebas (en este caso, un condensador de intersticio).
El comportamiento de la línea base del SR-BPF se puede establecer por fabricación del circuito sin película f-e. La frecuencia resonante resultante será, desde luego, más elevada al ser más pequeña la carga del condensador (610). Este resultado proporcionará una información precisa sobre la forma global y respuesta de frecuencia del SR-BPF.
El circuito (600) no es solamente un mecanismo preciso para medir las pérdidas introducidas por un condensador de intersticio ferro-eléctrico, sino que es también un componente básico para filtros ajustables con bajas pérdidas que se pueden implementar en una amplia gama de aplicaciones, tales como equipos manuales sin cables. Los circuitos resonantes de franja estrecha, configurados tal como se ha indicado, se pueden utilizar para aumentar el rendimiento y añadir capacidad de ajuste a muchos componentes de un transceptor típico de RF. Se incluyen entre los ejemplos de componentes de RF en los que se puede implementar la presente invención, sin que ello sirva de limitación, duplexadores, aislantes, circuitos acoplados, amplificadores de potencia, multiplexadores, filtros de paso banda y amplificadores con ruidos bajos. Al ser ajustable cada uno de los elementos, resulta innecesario utilizar bloques de circuitos múltiples para adaptarse a las modalidades de bandas múltiples. En caso necesario, los circuitos resonantes pueden ser dispuestos en cascada de forma apropiada para crear filtros y sistemas deseados, mejorando notablemente el comportamiento del sistema y disminuyendo simultáneamente los costes y las dimensiones. Muchos de los componentes de un equipo manual sin cables típico se beneficiarían de la capacidad de ajuste.
La descripción y dibujos que se han adjuntado son realizaciones específicas de la invención y son representativos de la materia que se prevé de manera amplia por la invención. No obstante, la invención abarca a otras realizaciones que serán evidentes para los técnicos en la materia. De acuerdo con ello, el ámbito de la invención queda limitado solamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (29)

  1. \global\parskip0.970000\baselineskip
    1. Método para la determinación de las pérdidas ferro-eléctricas asociadas con un componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), que comprende:
    conectar el componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610) a un circuito resonante de franja estrecha (400, 450, 600);
    medir la frecuencia central y las pérdidas de inserción del circuito resonante de franja estrecha (400, 450, 600) y el componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610) con un analizador de red;
    calcular como mínimo o la pérdida geométrica o la pérdida del metal de, como mínimo, el circuito resonante de franja estrecha (400, 450, 600) o el componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610);
    restar como mínimo las pérdidas geométricas calculadas o la pérdida de metal calculada de las pérdidas de inserción medidas para obtener una aproximación de las pérdidas ferro-eléctricas del componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610).
  2. 2. Método, según la reivindicación 1, en el que el componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610) es un condensador.
  3. 3. Método, según la reivindicación 2, en el que el circuito resonante de franja estrecha (400, 450, 600) comprende una estructura integrada que incluye un resonador (402, 404, 442, 444, 620) integrado con el condensador.
  4. 4. Método, según la reivindicación 3, en el que la estructura integrada comprende franjas conductoras (632, 642) depositadas sobre un sustrato de bajas pérdidas (602) separado por un intersticio (614, 630, 640), y una película delgada (616) de material ferro-eléctrico por debajo del intersticio (614, 630, 640).
  5. 5. Método, según la reivindicación 1, en el que el componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610) es seleccionado entre el grupo que comprende un condensador interdigital (100), un condensador de intersticio (200, 610) y un condensador de superposición (300).
  6. 6. Método, según la reivindicación 1, en el que las pérdidas geométricas o las pérdidas del metal se calculan utilizando un dispositivo de simulación del circuito.
  7. 7. Método, según la reivindicación 1, en el que las pérdidas geométricas o las pérdidas del metal se calculan utilizando un dispositivo de simulación de campo electromagnético.
  8. 8. Método, según la reivindicación 1, en el que el componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610) tiene un factor de calidad Q superior a 100.
  9. 9. Método, según la reivindicación 1, en el que el componente ferro-eléctrico (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610) tiene un factor de calidad Q superior a 200.
  10. 10. Método, según la reivindicación 1, en el que el circuito resonante de franja estrecha (400, 450, 600) comprende un resonador de microfranja que tiene un intersticio para definir el condensador.
  11. 11. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), que comprende:
    una primera capa conductora;
    una segunda capa conductora, comprendiendo la primera y segunda capas conductoras un condensador;
    un material ferro-eléctrico próximo a la primera y segunda capas conductoras;
    una línea de voltaje variable acoplada al material ferro-eléctrico para cambiar la capacidad del condensador, que responde a una constante dieléctrica cambiante del material ferro-eléctrico, respondiendo a un voltaje aplicado a la línea de voltaje variable;
    en el que la primera y segunda capas conductoras son tiras metálicas que tienen un grosor de 2-3 \mum.
  12. 12. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el factor de calidad Q, cuando funciona en una gama de temperatura entre -50ºC y 100ºC, es superior a 80 en una gama de frecuencias entre 0,8 GHz y 7,0 GHz.
  13. 13. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el factor de calidad Q, cuando funciona en una gama de temperatura entre -50ºC y 100ºC, es superior a 80 en una gama de frecuencias entre 0,25 GHz y 2,5 GHz.
  14. 14. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el factor de calidad Q, cuando funciona en una gama de temperatura entre -50ºC y 100ºC, es superior a 80 en una gama de frecuencias entre 0,8 GHz y 2,5 GHz.
  15. 15. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el factor de calidad Q, cuando funciona en una gama de temperatura entre -50ºC y 100ºC, es superior a 180 en una gama de frecuencias entre 0,25 GHz y 7,0 GHz.
  16. 16. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el factor de calidad Q, cuando funciona en una gama de temperatura entre -50ºC y 100ºC, es superior a 180 en una gama de frecuencias entre 0,8 GHz y 2,5 GHz.
  17. 17. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el factor de calidad Q, cuando funciona en una gama de temperatura entre -50ºC y 100ºC, es superior a 80 para una capacidad entre 0,3 pF y 3,0 pF.
  18. 18. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el factor de calidad Q, cuando funciona en una gama de temperatura entre -50ºC y 100ºC, es superior a 80 en una capacidad entre 0,5 pF y 1,0 pF.
  19. 19. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el factor de calidad Q, cuando funciona en una gama de temperatura entre -50ºC y 100ºC, es superior a 180 en una capacidad entre 0,3 pF y 3,0 pF.
  20. 20. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el factor de calidad Q, cuando funciona en una gama de temperatura entre -50ºC y 100ºC, es superior a 180 en una gama de frecuencias entre 0,5 pF y 1,0 pF.
  21. 21. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el condensador tiene una capacidad de 0,8 a 1,5 pF cuando se aplica un voltaje 0 al material ferro-eléctrico.
  22. 22. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el material ferro-eléctrico comprende titanato de bario y estroncio.
  23. 23. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el material ferro-eléctrico comprende una película que comprende una película de un grosor aproximado de
    una \mum.
  24. 24. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el condensador es un condensador de intersticio microfranja.
  25. 25. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 24, en el que la primera capa conductora y la segunda capa conductora están separadas por un intersticio que tiene aproximadamente una anchura de unos 2,5 \mum.
  26. 26. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que el condensador es un condensador de superposición.
  27. 27. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que la segunda capa conductora comprende oro o plata.
  28. 28. Condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610), según la reivindicación 11, en el que:
    una primera pendiente con respecto al condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610) desde una patilla de unión del condensador ferro-eléctrico comprende la contracción de la primera capa conductora desde una anchura de 101,6 \mum hasta una anchura de 2,54 \mum en una distancia de 25,4 \mum; y
    una segunda inclinación desde el condensador ferro-eléctrico ajustable (100, 200, 300, 410, 412, 452, 454, 610) a una zona de patilla de polarización DC comprende una expansión de la segunda capa conductora desde una anchura de 2,54 \mum hasta 101,6 \mum de anchura en una distancia de 25,4 \mum.
  29. 29. Método, según la reivindicación 1, en el que tanto las pérdidas geométricas como las pérdidas por el metal son calculadas, y en el que tanto las pérdidas geométricas como las pérdidas del metal son restadas de las pérdidas de inserción medidas para obtener la aproximación de la pérdida ferro-eléctrica.
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