ES2304956T3 - Dispositivos de microondas sintonizables. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo sintonizable eléctricamente (10; 20; 30; 40; 50) para microondas, que comprende un substrato portador (1; 1''; 1''''; 1A-1C), medios conductores (3A, 3B; 3A'', 3B''; 3A'''', 3B''''; 3A1, 3B1; 3A2, 3B2; 3A3, 3B3) y, al menos, una capa ferroeléctrica activa (2; 2''; 2''''; 2A1, 2A2, 2A3), caracterizado porque entre al menos cierto número de medios conductores (3A, 3B; 3A'', 3B''; 3A'''', 3B''''; 3A1, 3B1; 3A2, 3B2; 3A3, 3B3) y una capa ferroeléctrica (2; 2''; 2''''; 2A1, 2A2, 2A3), se dispone una capa almacenadora (4; 4''; 4''''; 4A1, 4A2, 4A3; 4C, 4D) que consta de una estructura de película delgada que comprende un material no ferroeléctrico no conductor.
Description
Dispositivo de microondas sintonizables.
La presente invención se refiere a los
dispositivos sintonizables eléctricamente, en particular para
microondas, que se basan en una estructura ferroeléctrica.
Los dispositivos sintonizables eléctricamente
conocidos, tales como condensadores (varactores) y que se basan en
estructuras ferroeléctricas tienen, verdaderamente, una alta gama de
sintonización pero las pérdidas a frecuencias de microondas son
altas de manera que se limita su aplicabilidad. Las relaciones
típicas entre los máximos y los mínimos valores de la constante
dieléctrica (con y sin campos eléctricos aplicados) alcanza desde
n=1,5 hasta 3 y las tangentes de pérdidas alcanzan de 0,02 hasta
0,05 a 10 GHz. Esto no es satisfactorio para aplicaciones de
microondas que requieren una pérdida menor. Entonces, por ejemplo,
es necesario un factor de calidad de alrededor de
1000-2000. La WO 94/13028 expone un condensador
planar sintonizable con capas ferroelécticas. Sin embargo, las
pérdidas son altas a frecuencias de microondas.
La US-A-5 640
042 muestra otro varactor sintonizable. También en este caso las
pérdidas son demasiado altas. Se producen pérdidas a través del
interfaz material dieléctrico-conductor, las cuales
son altas, y, adicionalmente, la superficie libre entre los
conductores resulta en que el material ferroeléctrico esté expuesto
durante el proceso (por ejemplo por ataque químico, modelado) lo
cual produce pérdidas, ya que la estructura del cristal puede ser
dañada.
Por consiguiente, lo que se necesita es un
dispositivo de microondas sintonizable que tenga una alta gama de
sintonización en combinación con bajas pérdidas a frecuencias de
microondas. También se necesita un dispositivo que tenga un factor
de calidad a frecuencias de microondas tal como, por ejemplo, de
hasta 1000-2000. También se necesita un dispositivo
en el que la capa ferroeléctrica esté estabilizada y un dispositivo
que muestre un rendimiento que sea estable con el tiempo, es decir,
el rendimiento no varía ni llega a deteriorarse con el tiempo.
Adicionalmente, es necesario un dispositivo que
esté protegido contra ruptura eléctrica por avalancha en el
material ferroeléctrico sintonizable.
Además es necesario un dispositivo que sea fácil
de fabricar. Es también necesario un dispositivo que sea insensible
a factores externos como la temperatura, humedad, etc. Por
consiguiente, se proporciona un dispositivo sintonizable
eléctricamente, en particular para microondas, que comprende un
substrato portador, medios conductores y, al menos, una capa
ferroeléctrica sintonizable. Entre el/cada medio conductor (o al
menos un número de ellos) y una capa ferroeléctrica sintonizable se
provee un estructura de capa almacenadora que comprende una
estructura de película delgada que se compone de un material no
ferroeléctrico, no conductor.
De acuerdo a una realización la estructura de
película delgada comprende una capa no ferroeléctrica delgada. En
una realización alternativa la estructura de película delgada
comprende una estructura multicapa que incluye un número de capas
no ferroeléctricas. En otras realizaciones adicionales una
estructura multicapa incluye un número de capas no ferroeléctricas
dispuestas en una manera alternativa con capas ferroeléctricas (de
tal manera que una capa no ferroeléctrica siempre se provee
adyacente al/un medio conductor).
En una realización particular la capa
ferroeléctrica está dispuesta en la parte superior del substrato
portador y la estructura de película delgada no ferroeléctrica,
incluyendo una o más capas, está dispuesta en la parte superior de
la capa ferroeléctrica, estando los medios conductores a su vez
dispuestos en la parte superior de la estructura no ferroeléctrica.
En una realización alternativa la capa ferroeléctrica está dispuesta
encima de la estructura no ferroeléctrica que incluye una o más
capas no ferroeléctricas y que está dispuesta en la parte superior
de los medios conductores. Los medios conductores particularmente
comprenden (al menos) dos electrodos dispuestos longitudinalmente
entre cuyos electrodos o conductores se provee un hueco. De acuerdo
a diferentes realizaciones la estructura no ferroeléctrica es
depositada in situ en la capa ferroeléctrica o depositada
ex situ en la capa ferroeléctrica.
La deposición de la capa no ferroeléctrica puede
ser realizada usando diferentes técnicas tales como por ejemplo
deposición láser, pulverización, deposición de vapor física o
química o a través del uso de técnicas sol-gel. Por
supuesto, también pueden ser usadas otras técnicas que sean
convenientes.
Ventajosamente, las estructuras ferroeléctricas
y no ferroeléctricas tienen estructuras de cristal de adaptación
reticular. La estructura no ferroeléctrica está particularmente
dispuesta para cubrir también el hueco entre los conductores o los
electrodos. En una implementación particular el dispositivo
comprende un condensador sintonizable eléctricamente o un
varactor.
\newpage
En otra realización el dispositivo incluye dos
capas de material ferroeléctrico previstas en cada lado de un
substrato portador y dos medios conductores, estando dispuestas
estructuras de película delgada no ferroeléctricas entre las
respectivas estructuras ferroeléctricas y no ferroeléctricas de tal
manera que el dispositivo forma un resonador. De acuerdo a
diferentes implementaciones el dispositivo de la invención puede
comprender filtros de microondas o ser usado en filtros de
microondas. También dispositivos tales como desplazadores de fase,
etc., pueden ser habilitados usando el concepto inventivo.
Pueden ser usados diferentes materiales; un
ejemplo de un material ferroeléctrico es el STO (SrTiO_{3}). El
material no ferroeléctrico puede comprender, por ejemplo, CeO2 o un
material similar o SrTiO_{3} que esté dopado de tal manera que no
sea ferroeléctrico. Un uso ventajoso de un dispositivo como el
expuesto es en sistemas de comunicación inalámbrica.
La invención será, a continuación, descrita
adicionalmente en una forma no limitativa y con referencia a los
dibujos que se acompañan, en los cuales:
La Fig. 1 muestra una vista de sección
transversal de un dispositivo sintonizable de acuerdo a una primera
realización de la invención,
La Fig. 2 ilustra esquemáticamente un
condensador planar similar a la realización de la Fig. 1,
La Fig. 3 muestra una segunda realización de un
dispositivo inventivo,
La Fig. 4 muestra todavía otra realización en la
cual se usa una estructura que comprende capas alternativas,
La Fig. 5 ilustra una cuarta realización de un
dispositivo de acuerdo a la invención,
La Fig. 6 ilustra esquemáticamente una
dependencia experimental de la sintonizabilidad en función de la
capacitancia para un número de espesores de material, y
La Fig. 7 muestra los resultados experimentales
relativos al factor de pérdidas cuando se usa una capa no
dieléctrica de acuerdo a la invención.
A través de los dispositivos de la invención que
son expuestos es posible alcanzar una sintonizabilidad alta en
combinación con bajas pérdidas a frecuencias de microondas. En
condiciones generales esto se alcanza a través de un diseño en el
que una capa (o capas) dieléctrica no ferroeléctrica delgada es
(son) dispuesta entre la capa conductora y una capa ferroeléctrica
sintonizable. La capa no ferroeléctrica actuará también como una
cubierta para la capa ferroeléctrica en el hueco entre los medios
conductores o los electrodos. La capa no ferroeléctrica puede ser
depositada "in situ" o "ex situ" en la capa
ferroeléctrica por deposición láser, pulverización, deposición de
vapor física, deposición de vapor química, sol-gel o
cualquier otra técnica conveniente. La capa no ferroeléctrica
debería ser orientada y tener una buena adaptación reticular a la
estructura del cristal de la capa ferroeléctrica. Además debería
tener bajas pérdidas de microondas. En todas las realizaciones como
se cita debajo o no se expone explícitamente, la estructura de capa
no ferroeléctrica puede ser una estructura de capa única o puede
comprender una estructura multicapa.
La estructura no ferroeléctrica delgada reducirá
la capacitancia total del dispositivo debido a la presencia de dos
capacitancias de las estructuras no ferroeléctricas delgadas en
serie con la capacitancia sintonizable resultado de la capa
ferroeléctrica. Incluso si la capacitancia total es reducida, lo
cual se busca en la mayoría de las aplicaciones, la
sintonizabilidad sólo decrecerá insignificantemente, ya que el
cambio en la constante dieléctrica de la capa ferroeléctrica
redistribuirá el campo eléctrico y cambiará las capacitancias serie
debido a la estructura no ferroeléctrica delgada.
La Fig. 1 muestra una primera realización de un
dispositivo 10 de acuerdo a la invención que comprende un substrato
1 sobre el que se provee un material ferroeléctrico 2, el cual es
sintonizable. En dicho material ferroeléctrico sintonizable 2, se
deposita una capa no ferroeléctrica 4, por ejemplo usando cualquiera
de las técnicas que se citan arriba. Se disponen, sobre la capa no
ferroeléctrica 4, dos medios conductores que comprenden un primer
conductor o electrodo 3A y un segundo conductor o electrodo 3B.
Entre el primer y segundo electrodo 3A, 3B hay un hueco. Como puede
verse en la figura la estructura no ferroeléctrica 4 cubre la
estructura ferroeléctrica sintonizable 2 a través del hueco entre
los conductores 3A, 3B. La superficie de la estructura
ferroeléctrica 2 está protegida, de esta manera, por la estructura
no ferroeléctrica 4 en un estado final pero también durante el
proceso, es decir, cuando el dispositivo es fabricado. Dado que se
protege la estructura ferroeléctrica 2 de esta manera, la
estructura ferroeléctrica estará estabilizada y su rendimiento será
estable con el tiempo, es decir, no se deteriora con el tiempo.
Adicionalmente, las pérdidas decrecerán, ya que habrá un control
más elevado del interfaz de la estructura ferroeléctrica y habrá
menos defectos sobre la capa superficial del material
ferroeléctrico. En lugar de dos electrodos, los medios conductores
pueden incluir más de dos electrodos, por ejemplo uno o más
electrodos previstos entre los electrodos 3A, 3B.
\newpage
Adicionalmente, la capa no ferroeléctrica
proveerá una protección contra ruptura eléctrica por avalancha en
el material ferroeléctrico sintonizable.
Aunque la estructura no ferroeléctrica 4 se
muestra como que comprende meramente una capa, debe quedar claro
que también puede comprender una estructura multicapa.
La Fig. 2 muestra una realización relativa a un
condensador planar 20. Relacionado con esta realización se dan
algunas cifras relativas a dimensiones, valores, etc., que, por
supuesto, aquí solo son dadas para propósitos ilustrativos. El
dispositivo incluye un substrato 1' por ejemplo de LaAlO_{3}, que
tiene un espesor H de, por ejemplo, 0,5 mm y con una permitividad
del dieléctrico de \varepsilons=25. En la parte superior del
substrato se dispone una capa ferroeléctrica 2' por ejemplo de STO
que aquí tiene un espesor hf de 0,25 \mum y con una permitividad
del dieléctrico de \varepsilonf=1500. Inmediatamente después se
dispone la capa almacenadora protectora 4', que es una capa no
ferroeléctrica, por ejemplo, dieléctrica, teniendo una permitividad
del dieléctrico de \varepsilond=10.
En la Fig. 3 se expone un dispositivo
alternativo 30 en el cual una estructura no ferroeléctrica 4'', que
aquí comprende una múltiplicidad de subcapas, se dispone en la parte
superior de los electrodos conductores 3A', 3B', los cuales se
disponen sobre el substrato 1''. La estructura multicapa no
ferroeléctrica es depositada sobre (debajo) un material
ferroeléctrico sintonizable 2''. El funcionamiento es
substancialmente el mismo que el que se describió con referencia a
la Fig. 1, solo que es una estructura invertida, ya que el
ferroeléctrico está dispuesto encima de la capa no ferroeléctrica,
es decir, encima de los electrodos. Adicionalmente, la capa no
ferroeléctrica comprende una estructura multicapa. Por supuesto, en
esta realización la estructura no ferroeléctrica puede comprender,
alternativamente, una capa única.
La Fig. 4 muestra un condensador sintonizable 40
en el que una estructura comprende capas ferroeléctricas 2A1, 2A2,
2A3 y capas no ferroeléctricas 4A1, 4A2, 4A3, las cuales se disponen
en una manera alternativa. El número de capas puede ser, por
supuesto, cualquiera y no está limitado a tres de cada tipo como se
ilustra en la Fig. 4, siendo lo principal que una capa no
ferroeléctrica (aquí 4A1) está dispuesta en contacto con los medios
conductores 3A1, 3B1; también cubriendo una capa ferroeléctrica
(aquí 2A1) en el hueco entre los electrodos.
Tal adaptación alternativa puede, por supuesto,
ser usada también en la estructura "invertida" como se expuso
en la Fig. 3.
La Fig. 5 muestra aún otro dispositivo 50 en el
que unos primeros medios conductores 3A2, 3B2 en forma de
electrodos están dispuestos en una capa no ferroeléctrica 4C, la
cual a su vez es depositada sobre una capa ferroeléctrica activa
2C. Debajo de la capa ferroeléctrica 2C una capa no ferroeléctrica
adicional 4D se provee en el lado opuesto a aquel en el que se
disponen unos segundos medios conductores 3A3, 3B3, los cuales, a
su vez, son dispuestos sobre un substrato 1C. También en este caso
puede ser usada una estructura alternativa como en la Fig. 4.
Cualquiera de los materiales mencionados arriba
pueden ser usados también en estas implementaciones. El material no
ferroeléctrico puede ser dieléctrico, pero no tiene que ser tal
material. Todavía además puede ser ferromagnético.
La estructura de capa ferroeléctrica activa de
cualquier realización puede comprender, por ejemplo, cualquiera de
SrTiO3, BaTiO3, BaxSr1-xTiO3, PZT (Titanato
Zirconato de Plomo), así como materiales ferromagnéticos. La capa
de almacenamiento o la estructura no ferroeléctrica protectora
puede, por ejemplo, comprender cualquiera de los siguientes
materiales: CeO2, MgO, YSZ (Zirconio Estabilizado con Itirio),
LaAlO3 o cualquier otro material no conductor con una estructura de
cristal apropiada, por ejemplo PrBCO (PrBa2Cu3O7-x),
YBa2Cu3O7-x no conductivo, etc. El substrato puede
comprender LaAlO3, MgO, zafiro corte-R o
corte-M, SiSrRuO3 o cualquier otro material
conveniente. Debe quedar claro que el montón de ejemplos no es
exhaustivo y que existen también otras posibilidades.
En la Fig. 6 se ilustra la capacitancia dinámica
en función del voltaje para tres espesores diferentes de la capa
almacenadora no ferroeléctrica 4', la cual aquí es dieléctrica. En
este caso, se supone que la longitud del condensador planar es de
0,5 mm mientras el hueco entre los conductores 3A', 3B' es de 4
\mum. Se puede decir que se forma una pared magnética entre el
sustrato y la capa ferroeléctrica 2'.
La capacitancia se ilustra en función del
voltaje aplicado entre los electrodos para tres valores diferentes,
a saber h10=10 nm, h30=30 nm y h100=100 nm, de la capa almacenadora
no ferroeléctrica dieléctrica 4'. La capacitancia se ilustra
también para el caso en que no hay capa almacenadora entre los
medios conductores y la capa ferroeléctrica, curva h0. Se supone
así que esto ilustra cómo la sintonizabilidad se reduce por la
introducción de una capa almacenadora 4' para un número de
espesores en comparación al caso en que no hay capa almacenadora.
Como se puede ver la reducción en sintonizabilidad no es
significativa.
La Fig. 7 muestra el valor Q para una
capacitancia que depende del voltaje cuando se provee una capa
almacenadora, correspondiente a la curva superior A, y, para el
caso en que no hay capa almacenadora, correspondiente a la curva
inferior B. De esta manera, como puede verse del comportamiento
experimental, el valor Q para un condensador se incrementa
considerablemente a través de la introducción de una capa
almacenadora.
Adicionalmente a las ventajas que acaban de
mencionarse arriba, es una ventaja usar una capa almacenadora a
través de la capa ferroeléctrica activa (sintonizable), ya que
cuando un patrón conductivo es atacado químicamente, algún ataque
químico ocurrirá también en la capa consecutiva subyacente. De esta
manera, si no está protegida, se pueden producir daños en la capa
superior del material ferroeléctrico en el hueco.
El concepto inventivo puede también ser aplicado
a resonadores, tales como, por ejemplo, los expuestos en
"Dispositivos de Microondas Sintonizables", que es una
solicitud de patente sueca, con número de solicitud
9502137-4, del mismo solicitante. El concepto
inventivo puede ser usado también en filtros de microondas de
diferentes tipos.
Claims (21)
1. Un dispositivo sintonizable eléctricamente
(10; 20; 30; 40; 50) para microondas, que comprende un substrato
portador (1; 1'; 1''; 1A-1C), medios conductores
(3A, 3B; 3A', 3B'; 3A'', 3B''; 3A1, 3B1; 3A2, 3B2; 3A3, 3B3) y, al
menos, una capa ferroeléctrica activa (2; 2'; 2''; 2A1, 2A2, 2A3),
caracterizado porque entre al menos cierto número de medios
conductores (3A, 3B; 3A', 3B'; 3A'', 3B''; 3A1, 3B1; 3A2, 3B2; 3A3,
3B3) y una capa ferroeléctrica (2; 2'; 2''; 2A1, 2A2, 2A3), se
dispone una capa almacenadora (4; 4'; 4''; 4A1, 4A2, 4A3; 4C, 4D)
que consta de una estructura de película delgada que comprende un
material no ferroeléctrico no conductor.
2. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque la estructura de
película delgada (4; 4'; 4''; 4A1, 4A2, 4A3; 4C, 4D), comprende una
capa no ferroeléctica delgada.
3. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque la estructura de
película delgada comprende una estructura multicapa (4''; 4A1,
4A2, 4A3) que incluye cierto número de capas no ferroeléctricas.
4. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 2 o 3, caracterizado porque se disponen un
cierto número de capas ferroeléctricas (2A1, 2A2, 2A3) y capas no
ferroeléctricas (4A1, 4A2, 4A3) en una manera alternativa
adyacentes a los medios conductores (3A1, 3B1).
5. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 1-3, caracterizado
porque la capa ferroeléctrica (2; 2'; 2A3) se dispone en la parte
superior del substrato portador (1; 1'; 1A), estando dispuesta la
estructura de película delgada no ferroeléctrica (4; 4'; 4A1) en la
parte superior de la capa ferroeléctrica, y porque los medios
conductores (3A, 3B; 3A', 3B'; 3A1, 3B1) están dispuestos en la
parte superior de la estructura no ferroeléctrica.
6. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 1-3, caracterizado
porque la capa ferroeléctrica (2'') está dispuesta encima de la
estructura no ferroeléctrica (4'') que está dispuesta en la parte
superior de los medios conductores (3A'', 3B''), los cuales están
dispuestos sobre el substrato.
7. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
medios conductores comprenden dos electrodos dispuestos
longitudinalmente (3A, 3B; 3A', 3B'; 3A'', 3B''; 3A1, 3B1; 3A2,
3B2; 3A3, 3B3) entre los cuales se provee un hueco.
8. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 1-4, caracterizado
porque están provistos unos segundos medios conductores (3A3, 3B3)
y porque una capa no ferroeléctrica (4D) se dispone entre dichos
segundos medios conductores (3A3, 3B3) y la capa ferroeléctrica
(2C).
9. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
estructura de capa almacenadora no ferroeléctrica se ha depositado
in situ sobre la capa ferroeléctrica.
10. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 1-6, caracterizado
porque la estructura de capa almacenadora no ferroeléctrica se ha
depositado ex situ sobre la capa ferroeléctrica.
11. Un dispositivo de acuerdo con la
reivindicación 7 u 8, caracterizado porque la estructura de
capa almacenadora no ferroeléctrica se ha depositado mediante el
uso de técnicas de deposición láser, pulverización, deposición de
vapor física o química o sol-gel.
12. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las
estructuras ferroeléctricas y no ferroeléctricas tienen estructuras
de cristal adaptado reticular.
13. Un dispositivo de acuerdo con al menos la
reivindicación 7, caracterizado porque la estructura de capa
almacenadora no ferroeléctrica (3A, 3B; 3A', 3B'; 3A'', 3B''; 3A1,
3B1; 3A2, 3B2; 3A3, 3B3) se dispone de modo que cubra el hueco
entre los conductores/electrodos.
14. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque
comprende un condensador sintonizable eléctricamente
(varactor).
15. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque
comprende dos capas de un material ferroeléctrico previstas a cada
lado del substrato portador y dos medios conductores, estando
dispuestas estructuras de película delgada no ferroeléctrica entre
las respectivas estructuras ferroeléctricas y no ferroeléctricas,
formando el dispositivo un resonador.
16. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
material no ferroeléctrico de la estructura de capa almacenadora es
un dieléctrico.
17. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 1-16, caracterizado
porque el material no ferroeléctrico es ferromagnético.
18. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque es
usado en filtros de microondas.
19. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
material ferroeléctrico comprende STO (SrTiO3).
20. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
material no ferroeléctrico comprende CeO2 o un material similar o
SrTiO3 dopado de tal manera que no sea ferroeléctrico.
21. Uso de un dispositivo como el de cualquiera
de las reivindicaciones precedentes en un sistema de comunicación
inalámbrica.
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