JP2004111463A - 電圧制御型インピーダンス可変インダクタ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】構成が簡単で、よりコンパクトな、汎用性の高い、電圧制御型インピーダンス可変インダクタ素子を提供する。
【解決手段】基板Ｋ上に下部平板状電極１を配置し、その上に、所望のインダクタンスを生ずる任意な形状の導体線路１００を載せた薄膜絶縁層１１を設け、さらにその上に、導体線路１００を埋め込むように薄膜絶縁層１２を設け、その上に、上記導体線路１００を被うように上部平板状電極２を設け、これらの上部及び下部平板状電極間に加わる電圧によって生ずる電界によって絶縁層の等価的寸法変位を生ぜしめ、上記上部平板状電極２とは別に設けた一方の信号伝達用電極２１から上記導体線路１００を通じて他方の信号伝達用電極２２に至る導体線路周囲の電磁界分布を変調し、信号伝達用電極２１と下部平板状電極１、及び、信号伝達用電極２２と下部平板状電極１からなる４端子素子の伝達インピーダンスを可変とした。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、主に高周波領域における発信器の発振周波数のチューニングや発信機のノイズ低減等に用いる電圧制御型のインピーダンス可変インダクタ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＨｚ（ギガヘルツ）帯のマイクロ波領域の集積回路は、能動デバイス（デバイスパラメータが電圧制御等々で可変）であるトランジスタ、及び受動デバイス（デバイスパラメータが加工精度で一意に決まってしまうもの）であるところの、インダクタ、キャパシタ、伝送線路から構成されている。
ところが、実際の作製プロセスには、絶縁層の厚さのばらつきや、ドービング濃度のばらつき等、不可避な設計値からの偏差が生じる。例えば、発振回路の場合には、所望の発振周波数のずれが生じてしまう。
そこで、従来は受動体素子であったインダクタンスを可変インダクタンスとして能動デバイスにすることにより、作製プロセス上混入する偏差を是正することが可能である。
【０００３】
モノリシックな素子で等価的にインダクタの可変を実現しているもので、通常「アクティブインダクタ」と呼ばれているものがある。この構造は、図９に示すように、複数のトランジスタの接続、抵抗等による帰還回路、キャパシタの組み合わせが本質的に必須である。
また、電力系統における高電圧、大電流用「可変インダクタ」がある。これは、図１０に示すように直交磁心型インダクタで、大きさが１ｍ級の装置である。なお、図中のｉ_１、ｉ_２は１次及び２次巻線電流である。また、φ_１、φ_２は１次、２次磁束であり、その概略的な流れを破線で示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記前者のものは、トランジスタ等の組み合わせ構成となり、複雑になってしまう。また、アクティブインダクタのインダクタンスの大きさはトランジスタの伝達コンダクタンス及び回路に内在する損失で制限され、能動素子であるトランジスタが発生する位相雑音が問題となる。又上記後者のものは、集積回路用でない点、用途が電力系統用である点、磁気飽和を原理としてインダクタンス可変を実現している点、ＧＨｚ（ギガヘルツ）帯の高周波回路には適用できないなどの問題がある。
【０００５】
そこでこの発明は、従来の回路的にトランジスタ等を組み合わせた装置より、構成が簡単で、よりコンパクトな、汎用性の高い、電圧制御型インピーダンス可変インダクタ素子を提供することを目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１項の発明は、基板上に下部平板状電極を配置し、その上に板状の絶縁層を設け、この絶縁層の上に、所望のインダクタンスを生ずる任意な形状の導体線路を載せ、さらにこの上に、この導体線路を埋め込むように板状の絶縁層を設け、その上に、上記導体線路を被うように上部平板状電極を設け、これらの上部及び下部平板状電極間に加わる電圧によって生ずる電界によって絶縁膜の等価的寸法変位を生ぜしめ、上記上部平板状電極とは別に設けた一方の信号伝達用電極から、上記導体線路を通じて、上記上部平板状電極とは別に設けた他方の信号伝達用電極に至る導体線路周囲の電磁界分布を変調し、一方の信号伝達用電極と下部平板状電極、及び、他方の信号伝達用電極と下部平板状電極とからなる４端子素子の伝達インピーダンスを可変とした、電圧制御型インピーダンス可変インダクタ素子とした。
【０００７】
また、請求項２の発明は、上記請求項１の発明において、上記導体線路の任意の形状が、渦巻き（スパイラル）型、又はジグザグ（メアンダ）型である、電圧制御型インピーダンス可変インダクタ素子とした。また、請求項３の発明は、上記請求項１又は２の発明において、上記上部平板状電極又は導体線路が複数個に分割された、電圧制御型インピーダンス可変インダクタ素子とした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態例を図に基づいて説明する。
図１はこの発明のインダクタ素子の分解斜視図であり、図２はその断面図を示す。
基板Ｋ上に下部平板状電極１を配置し、その上に薄膜絶縁層１１を設け、その上に、所望のインダクタンスを生ずる渦巻き形状の導体線路１００を、平面状に埋め込んだ薄膜絶縁層１２を設け、さらにその上に、上記導体線路１００を被うように上部平板状電極２を設ける。この上部平板状電極２は略Ｈ形状にし、この上部平板状電極２の間に、薄膜絶縁層１２上に第１の信号伝達用電極２１及び第２の信号伝達用電極２２を、相互に離して設ける。この様にして、下部平板状電極１、薄膜絶縁層１１、薄膜絶縁層１２及び上部平板状電極２は積層されている。
【０００９】
また、第１の信号伝達用電極２１から、薄膜絶縁層１２に設けた接続導体導通用の穴１３を通して導体線路１００の一端まで、接続導体１４が接続されており、また、第２の信号伝達用電極２２から、薄膜絶縁層１２に設けた接続導体導通用の穴１５を通して導体線路１００の一端まで、接続導体１６が接続されている。なお、上記電極１、２、２１、２２及び導体線路１００の材質は全て銅であり、薄膜絶縁層１１及び１２はスピンオングラスを使用した。
【００１０】
そして、これらの上部平板状電極２と下部平板状電極１との間に加わる電圧によって生ずる電界によって、絶縁膜の等価的寸法変位を生ぜしめ、上記第１の信号伝達用電極２１から、上記導体線路１００を通じて、上記第２の信号伝達用電極２２に至る導体線路１００周囲の電磁界分布を変調し、第１の信号伝達用電極２１と下部平板状電極１、及び、第２の信号伝達用電極２２と下部平板状電極１からなる４端子素子の伝達インピーダンスの値を変化できるようにした。
【００１１】
なお、上記実施の形態例では、導体線路１００は渦巻き（スパイラル）型としたが、これに限らず、ジグザグ（メアンダ）型等、所望のインダクタンスが生じる任意のパターンを適用できる。
また、上記下部平板状電極１及び上部平板状電極２の構成材料は非磁性導体のみならず、磁性導体材料でも使用できる。また、上記薄膜絶縁層１１及び薄膜絶縁層１２の材料は、誘電体だけでなく、導体線路１００の周囲の絶縁材料を部分的に取り除いた構造、即ち、空気、真空でも良い。誘電体としては、例えば、ポリイミド、酸化硅素系材料等が挙げられる。また、下部平板状電極１と上部平板状電極２への制御電圧の印加は、直流、交流いずれも可能である。また、上記実施の形態例では薄膜絶縁層１１、１２としたが、これらは薄膜であるか否かは問わず、適宜の厚さの絶縁層であれば良い。
【００１２】
次に上記図１及び２のうち、上部平板状電極２、第１の信号伝達用電極２１及び第２の信号伝達用電極２２を図３に示す寸法とし、また、導体線路１００の形状及び寸法を図４に示すようにし、図１及び図２の上記実施の形態例のインダクタ素子において、上部平板状電極２と下部平板状電極１に直流５Ｖの電圧を印加した。このインダクタの等価回路は図５で示される。図５において、各素子の脇の、矢印の両側の数値は、左が電圧印加前、右が印加後の数値をしめしている。図５において、主にＡ、Ｂ、Ｃで示した素子の値が、外部電圧によって変化していることが分かる。
【００１３】
また、図６乃至図８はこの発明のインダクタ素子を微分負性抵抗デバイスとの集積化により、ＧＨｚ帯の自励発振器に用いた例を示す。図６に示すように、上記実施の形態例の下部平板状電極１に接続導体導通用の穴１ａを設け、この下部平板状電極１の下に、接続導体導通用の穴１７ａを有する第３の薄膜絶縁層１７、及び微分負性抵抗素子などの半導体素子１８を上面に載せた基板１９を重ね、上記接続導体１４を延長してその端部を、各導通用穴を通して半導体素子１８に接続している。このように、全ての素子をモノリシックに集積可能な点が特徴となっており、従来のものよりコンパクトに構成できる。
【００１４】
なお、上記下部平板状電極１、上部平板状電極２は夫々複数の電極に分離され、夫々に異なった電圧が印加できる構造であってもよい。この時夫々の電極に印加される電圧は直流、又は交流であっても良く、各電極の印加電圧の絶対値及び交流の場合には各電極の位相は独立に与えられてよい。また、上記導体線路１００も複数設ける場合もある。
さらに、薄膜絶縁層１１、導体線路１００、薄膜絶縁層１２を１周期とした構造を、厚さ方向に何周期か積層し、全体を上部、下部平板状電極２，１でサンドイッチした構造、或いは、薄膜絶縁層１１、導体線路１００、薄膜絶縁層１２、上部平板状電極２までを１周期とし、厚さ方向に何周期か積層した構造で、複数の平板状電極に独立した制御電圧を印加できる構造も可能である。これらの場合、出力端子は４端子に限らず、Ｎ端子となる。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１及び２の発明は、主に高周波領域において、適宜の外部電圧を上下の平板状電極に印加することにより、インダクタンスの値が変化し、インピーダンスの値を任意に変化させることができる。しかも、このインダクタ素子は、モノリシックな積層構造になっているため、構成も簡素化し、極めてコンパクトとなり、場所をとらない。
半導体集積回路と同一基板上に可変インダクタをモノリシックに作製できることは、外部素子との引き回し結線が必要なく、結線の寄生成分、電磁界結合がなくなり、高周波回路においては有利である。
また、この可変インダクタにより以下のことが可能となった。
ブロードバンド対応のワイヤレス通信用マイクロ波集積回路における様々な回路応用では、一つの素子で広範囲の周波数帯へ対応できることは非常に有利である。この発明の素子を用いると、単体でも例えば、ＧＨｚ帯における、発振器の発振周波数のチューニングが実現できるし、トランジスタや微分負性抵抗素子と組み合わせた場合にはより広範囲のチューニングが実現できる。
また、発振器は、発振器自身が発生したり、外部素子から注入される不可避の位相雑音の影響を受けやすい。発振器における位相雑音の混入は、帰還回路経由や周波数制御回路経由で混入するが、当該可変インダクタにより積極的に位相雑音の低減、抑制が実現可能となった。
【００１６】
また、請求項３の発明は、分割された各電極に、異なった電圧を印加でき、これにより電磁界分布のコントロールを局所毎に変化させ、結果的にインピーダンスの変化領域を大きくすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態例のインダクタ素子の分解斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態例のインダクタ素子の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態例のインダクタ素子のうち、上部平板状電極、第１の信号伝達用電極、及び、第２の信号伝達用電極の平面図である。
【図４】この発明の実施の形態例のインダクタ素子のうち、導体線路の平面図である。
【図５】この発明の実施の形態例のインダクタ素子の等価回路である。
【図６】この発明の実施の形態例のインダクタ素子の微分負性抵抗デバイスとの集積化による自励発振器の分解斜視図である。
【図７】この発明の実施の形態例のインダクタ素子の微分負性抵抗デバイスとの集積化による自励発振器の断面図である。
【図８】この発明の実施の形態例のインダクタ素子の微分負性抵抗デバイスとの集積化による自励発振器の回路図である。
【図９】第１の従来例の回路図である。
【図１０】第２の従来例の原理を示す斜視図である。
【符号の説明】
１　　下部平板状電極　　　　　　　２　　上部平板状電極
１１　　薄膜絶縁層　　　　　　　　１２　　薄膜絶縁層
１３　　穴　　　　　　　　　　　　１４　　接続導体
１５　　穴　　　　　　　　　　　　１６　　接続導体
１７　　薄膜絶縁層　　　　　　　　１８　　半導体素子
１９　　基板　　　　　　　　　　　　Ｋ　　基板
２１　　信号伝達用電極　　　　　　２２　　信号伝達用電極
１００　　導体線路

Claims (3)

1. 基板上に下部平板状電極を配置し、その上に板状の絶縁層を設け、この絶縁層の上に、所望のインダクタンスを生ずる任意な形状の導体線路を載せ、さらにこの上に、この導体線路を埋め込むように板状の絶縁層を設け、その上に、上記導体線路を被うように上部平板状電極を設け、これらの上部及び下部平板状電極間に加わる電圧によって生ずる電界によって絶縁層の等価的寸法変位を生ぜしめ、上記上部平板状電極とは別に設けた一方の信号伝達用電極から上記導体線路を通じて他方の信号伝達用電極に至る導体線路周囲の電磁界分布を変調し、一方の信号伝達用電極と下部平板状電極、及び、他方の信号伝達用電極と下部平板状電極からなる４端子素子の伝達インピーダンスを可変としたことを特徴とする、電圧制御型インピーダンス可変インダクタ素子。
2. 上記導体線路の任意の形状が、渦巻き（スパイラル）型、又はジグザグ（メアンダ）型であることを特徴とする、請求項１記載の電圧制御型インピーダンス可変インダクタ素子。
3. 上記上部平板状電極又は導体線路が複数個に分割されたことを特徴とする、請求項１記載の電圧制御型インピーダンス可変インダクタ素子。

Images