JP2004241440A

JP2004241440A - Variable capacitance capacitor and high-frequency component using the same

Info

Publication number: JP2004241440A
Application number: JP2003026483A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Okubo; 佳洋大久保; Hiroshi Katsuta; 宏勝田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-26

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a variable capacitance thin film capacitor which changes little in capacitance with high-frequency signals, varies much in capacitance with a DC bias, and is small in size, and to provide a high-frequency component using the same. <P>SOLUTION: An input electrode 4a and even-numbered connection electrodes 3b, 3d, etc. are arranged in parallel with odd-numbered connection electrodes 3a, 3c, etc. and an output electrode on a supporting substrate 1, a thin film dielectric layer 2 is arranged so as to be connected in series, and an impedance element 5 is so arranged as to enable the input electrode and the even-numbered connection electrodes 3b, 3d, etc. to be connected together and enable the odd-numbered connection electrodes 3a, 3c, etc. and the output electrode to be connected together. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対電極間に薄膜誘電体層を形成した可変容量素子が、奇数個の互いに直列接続するとともに、各可変容量素子に対して共通の制御電圧を印加できる可変容量コンデンサに関して、特に、小型化が極めて容易な可変容量コンデンサに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、薄膜コンデンサは、一対の電極と、その電極間に薄膜誘電体層を配置して形成される。即ち支持基板上に下部電極層、薄膜誘電体層、上部電極層を積層して形成していた。また、別の構造としては、支持基板上に薄膜誘電体層の一方端部に接続した一方の電極層、薄膜誘電体層の他方端部に接続する他方の電極層を形成していた。
【０００３】
通常、支持基板は、電気絶縁性の優れた材料が用いられ、下部電極層、上部電極層、一方電極及び他方電極は、スパッタ法、蒸着法、イオンプレ−ティング法などの薄膜技法により形成されていた。即ち、支持基板全体に電極層となる導体層を形成し、フォトリソグラフィを用いて、例えば必要部のみレジストで覆い、その後、ドライエッチングあるいはウェットエッチングを行い、不要部を除去して所定形状の各電極層を形成し、レジスト膜を剥離して形成していた。
【０００４】
また、薄膜誘電体層は、スパッタ、ゾルゲル法などの薄膜技法で形成されていた。電極層が形成された支持基板上に、薄膜誘電体層を全面に形成し、下部電極層と同様に、不要部を除去し所定形状の誘電体層を形成する。
【０００５】
尚、電極層は、薄膜コンデンサの構造によって、例えば、支持基板上に形成する以外に、薄膜誘電体上に形成する場合もあり得る。
【０００６】
その後、保護膜層やハンダ端子部を形成していた。
【０００７】
ここで、可変容量素子では、薄膜誘電体層の材料として（Ｂａ_ｘ，Ｓｒ_１−ｘ）_ｙＴｉ_１−ｙＯ_３−ｚを用いて、同時にこの薄膜誘電体層を挟む一対電極間に制御電圧を与えることにより、薄膜誘電体層の誘電率が変化して、その結果、可変容量素子の容量値を任意に変化させることができる。例えば特許文献（特開平１１−２６０６６７号）に開示されている。
【０００８】
可変容量素子の容量値の変化は、高周波領域にも及び高周波動作する高周波回路にも広く利用できる。たとえば、可変容量素子と共振回路素子（フィルタ回路の一部）とを用いて、可変容量素子の容量変化を利用して共振周波数特性やフィルタ特性を可変調整することもできる。例えば、可変容量素子と薄膜インダクタを組み合わせた電圧制御型薄膜共振器では、制御電圧の制御により共振周波数を変化させることができる。また、可変容量素子または電圧制御型薄膜共振器と薄膜インダクタ、薄膜コンデンサを組み合わせた電圧制御型薄膜帯域通過フィルタでは、制御電圧を制御することにより、通過帯域を変化させることができる。マイクロ波用の電圧制御型電子部品に関して例えば特許文献２（特表平８−５０９１０３号）に開示されている。
【０００９】
また、可変容量素子を高周波用電子部品で用いる場合、可変容量素子に容量可変を目的として印加する制御電圧と、高周波回路の高周波信号の電圧（高周波電圧）成分が同時に印加されることになる。これにより、高周波電圧が高い場合は高周波電圧によっても可変容量素子の容量値が変化するようになる。この場合には、高周波電圧による容量可変素子の容量変化が発生し、波形歪、相互変調歪みノイズが生じてしまう。波形歪、相互変調歪みノイズを小さくするためには高周波電界強度を下げ高周波電圧による容量変化を小さくする必要がある。
【００１０】
また、高周波信号ではコンデンサには電流が流れやすくなるため、コンデンサを高周波信号での使用において、コンデンサの損失抵抗によりコンデンサが発熱し、その結果、破壊してしまう。
【００１１】
これらの高周波電界強度を下げ高周波電圧による容量変化、耐電圧の劣化に対しては、薄膜誘電体層の厚みを厚くすることが有効である。しかし、誘電体層の厚みを厚くすると直流電界強度も小さくなるため容量変化率も下がってしまう。
【００１２】
また、別の解決方法としては、可変容量素子を複数積層して、各可変容量素子を直列接続することが考えられる。しかし、このように積層構造で可変容量素子を直列接続すると、各容量素子に印加される制御電圧が均一印加されず、直列接続された可変容量素子の薄膜誘電体層で誘電率のバラツキが発生して、全体の容量値の変化量が狭まってしまう。
【特許文献１】
特開平１１−２６０６６７号公報
【特許文献２】
特表平８−５０９１０３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
支持基板上に、複数の可変容量素子を配置して、各可変容量素子を直列接続し、各電極層にそれぞれ共通の制御電圧を印加する構造が考えられる。しかし、このような構造の場合には、支持基板上に電極層、薄膜誘電体層からなる可変容量素子を形成し、さらに、制御電圧を均一に印加するためのバイアスラインが必要となる。即ち、支持基板上でたいへん複雑な構造となり、しかも、可変容量素子の直列数が増加すればその構造が複雑化してしまう。
【００１４】
即ち、近年この種の部品で要求される小型化に対応できなくなる。
【００１５】
本発明は上述の課題に鑑みて案出されたものであり、その目的は、支持基板上に直列接続された容量素子を簡潔な構造で形成し、高周波信号による容量変化が小さく、かつ制御信号による大きな容量変化が得られ、しかも小型化が可能な可変容量コンデンサを提供することにある。
【００１６】
また、別の目的は、上述の可変容量コンデンサを用いて、相互変調低歪みを実現し、耐電力、耐電圧に優れ、温度特性の良い高周波用電圧制御型薄膜共振器、電圧制御型薄膜高周波フィルタ、電圧制御型整合回路素子および電圧制御型薄膜アンテナ共用器などの高周波部品を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ｎ個の薄膜誘電体層、入力電極、ｎ−１個の接続電極及び出力電極を有するとともに、前記各薄膜誘電体層が前記各電極のいずれかの２つ電極に挟持され、且つ直列的に接続するｎ個の可変容量素子と、前記可変容量素子に制御電圧を供給するためのｎ−１個のインピーダンス素子とから構成される可変容量コンデンサであって、
前記接続電極、前記薄膜誘電体層を前記入力電極側に近い側から第１の接続電極、第２の接続電極・・・・第ｎ−１の接続電極及び第１の薄膜誘電体層、第２の薄膜誘電体層・・・・第ｎの薄膜誘電体層とした時、
支持基板上に、
前記入力電極及び偶数番目の接続電極を一直線上に配列し、且つ奇数番目の接続電極及び前記出力電極を、前記一直線に平行する直線上に配列するとともに、
前記第１の薄膜誘電体層を入力電極と第１の接続電極との間に、
前記第ｎの薄膜誘電体層を第（ｎ−１）の接続電極と出力電極との間に
及び前記第Ｍ＋１の薄膜誘電体層を、第Ｍの接続電極と第（Ｍ＋１）の接続電極との間にそれぞれ配置し、
前記インピーダンス素子を、前記入力電極と偶数番目の接続電極同士との間に、及び奇数番目の接続電極同士と前記出力電極との間に配置したことを特徴とする可変容量コンデンサである。
（ただしｎ＝２ｍ＋１、ｍ＝１、２、３・・・のいずれかの整数、１＜Ｍ＜ｎ−１）。
【００１８】
また、前記入力電極、前記出力電極及び前記接続電極が、全体として概略矩形状に配列されている。
【００１９】
また、前記入力電極、出力電極、第１及び第２の接続電極からなる電極パターンの全体形状が、概略矩形状である。しかも、前記ｎ個の薄膜誘電体薄膜が、平面視一直線上に配置されている。
【００２０】
また、前記入力電極は、それぞれ高周波信号の信号入力端子と直流の制御電圧入力端子とを共用している。そして、出力電極は、それぞれ高周波信号及び直流制御電圧の基準電位端子としている。
【００２１】
前記支持基板は、誘電率３０未満の低誘電率材料であり、ＭｇＯ、アルミナ、サファイア、ＬａＡｌＯ_３のいずれかからなっている。
【００２２】
前記薄膜誘電体層は、（Ｂａ_ｘ，Ｓｒ_１−ｘ）_ｙＴｉ_１−ｙＯ_３−ｚからなる。
【００２３】
前記入力電極、前記接続電極及び前記出力電極は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕのいずれかの金属からなる。
【００２４】
また、インピーダンス素子は、抵抗成分であり、または、インダクタンス成分である。
【００２５】
好ましくは、インピーダンス素子が抵抗成分を有しており、その抵抗成分は、Ｎｉ−Ｃｒ合金あるいはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金を含む高抵抗合金薄膜で構成されている。また、酸化物導電体材料、窒化物導電体材料又は半導体材料で構成されている。
【００２６】
また好ましくは、インピーダンス素子がインダクタンス成分を有しており、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉのいずれかを含むなどの貴金属薄膜を有するインダクタ素子である。つまり、Ｎｉ、Ｆｅなどの強磁性体薄膜で構成されている。しかも、その形状は、直線状、ループ状、ミアンダ状、あるいはスパイラル状である。
【００２７】
さらに、上述の可変容量コンデンサに、共振回路素子を接続した高周波部品である。
【作用】
本発明の可変容量コンデンサは、入力電極と、接続電極のうち偶数番目の各接続電極が一直線上に配列されており、接続電極のうち奇数番目の各接続電極が一直線上に配列されている。そして各配列は、互いに平行になるように形成され、その間に制御電圧によって誘電体率が変化する薄膜誘電体層が配置されている。即ち、この薄膜誘電体層も配列状況は、一直線上に配置されることになる。また、インピーダンス素子は、一直線上に配列された入力電極と、接続電極のうち偶数番目の各接続電極の間に接続されるように、また、一直線上に配列された出力電極と、接続電極のうち奇数番目の各接続電極の間に接続されるように形成される。
【００２８】
即ち、接続電極、薄膜誘電体層、インピーダンス素子は、直列接続する可変容量素子の素子数にかかわらず、規則正しく配列されるため、支持基板上に直列接続され、且つ各可変容量素子に制御電圧が均一印加される構造を効率よく形成でき、支持基の形状を極小化させることができる。
【００２９】
このような構造から、直列接続する可変容量素子に印加される高周波電圧がそれぞれの容量素子に分圧されるので、個々の容量素子に印加される電圧は減少する。このことから、高周波信号による容量の変化は小さく抑えることが出来る。また、インピーダンス素子を設けることにより、直流の制御電圧は、各々の薄膜誘電体層に独立に印加することができるため、制御電圧による容量の変化は大きく保つことができる。
【００３０】
もって、高周波信号による容量変化が小さく、かつ制御信号による大きな容量変化が得られ、しかも小型化が可能な可変容量コンデンサを提供することができる。
【００３１】
また、インピーダンス素子が少なくとも抵抗成分及びまたはインダクタンス成分からなるため、インピーダンス素子に高周波信号が入り込むことはなく、高周波信号を直列接続した各可変容量素子で、その電圧を分圧させ、信号電圧による容量変化が小さくすることができる。
【００３２】
また、直流電流（制御電圧）は各可変容量素子が直流制限抵抗として動作するため、各可変容量素子には流れない。即ち、接続電極、インピーダンス素子を介して各可変容量素子に印加されるものであり、この直流的には並列接続される可変容量素子となり、制御電圧の電圧降下は発生せず、容量変化を大きく維持できる。
【００３３】
また入力電極、出力電極及び接続電極の全体形状が概略矩形状に配列されているため、支持基板に占める電極の割合を高めることができる。このため、取り扱いに容易で小型な可変容量コンデンサとなる。
【００３４】
また、可変容量コンデンサの入力電極を高周波の入力端子と直流の制御電圧の入力端子を共通化しているため、端子数が減少して、これによって小型化が容易となる。
【００３５】
また、前記入力電極は、それぞれ高周波信号の信号入力端子と直流の制御電圧入力端子とを共用している。そして、出力電極は、それぞれ高周波信号及び直流制御電圧の基準電位端子としている。
【００３６】
さらに、前記支持基板は、誘電率３０未満の低誘電率材料であり、ＭｇＯ、アルミナ、サファイア、ＬａＡｌＯ_３のいずれかからなっているため、電極層との密着性、薄膜誘電体層との密着性が良く、薄膜誘電体層の誘電率に影響を及ぼさないため可変容量コンデンサの容量変化率を最大限に利用できる。しかも、ＭｇＯ、アルミナ、サファイア、ＬａＡｌＯ_３は、耐熱性にすぐれ、高温プロセスによる電極層、薄膜誘電体層などを形成することができる。
【００３７】
薄膜誘電体層は、（Ｂａ_ｘ，Ｓｒ_１−ｘ）_ｙＴｉ_１−ｙＯ_３−ｚからなるため、制御電圧を与えて可変容量素子として利用することができる、容量変化率が大きく損失が小さい可変容量コンデンサを作製することが出来る。
【００３８】
前記入力電極、前記接続電極及び前記出力電極は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕのいずれかの金属からなるため、電極層の低抵抗が実現でき、高Ｑ化が可能となる。
【００３９】
また、インピーダンス素子は、抵抗成分であり、または、インダクタンス成分である。
【００４０】
好ましくは、インピーダンス素子が抵抗成分を有しており、その抵抗成分は、Ｎｉ−Ｃｒ合金あるいはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金を含む高抵抗合金薄膜で構成されている。また、酸化物導電体材料、窒化物導電体材料又は半導体材料で構成されている。
【００４１】
また、前記インピーダンス素子の全てまたは一部がＮｉ−Ｃｒ合金あるいはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金などの高抵抗合金薄膜からなることを特徴とする薄膜コンデンサ素子で、高抵抗の合金薄膜を用いることで、短い抵抗線でも高抵抗が達成でき、小型化、低コスト等の可変容量コンデンサを作製することが出来る。
【００４２】
また、インピーダンス素子の全てまたは一部がＡｕ、Ｐｔなどの貴金属薄膜からなり、金属薄膜をスパッタ法、蒸着法などでごく薄く成膜した場合、完全な膜にはならず、微小な島状の金属塊からなる膜質の悪い膜になり、膜厚が薄くなると抵抗値が急激に高くなる。この性質を用いて、抵抗率の小さな貴金属類を用いることで、高抵抗で耐酸化性に優れたインピーダンス成分を有する導体膜が得られる。
【００４３】
また、前記インピーダンス素子の全てまたは一部がＮｉ、Ｆｅ等の強磁性体薄膜からなる。このことから、強磁性体では透磁率μが大きいため、δ＝１／√（πｆμσ）で表わされる表皮深さが常磁性体よりも小さくなる傾向がある。（ただし、ｆは周波数、σは伝導率である。）このため、機械的に安定な厚みの膜を作製しても、高周波では表皮深さが薄くなり、抵抗が高くなるため高抵抗の膜を作製できる。
【００４４】
また、前記インピーダンス素子の全てまたは一部が酸化物伝導体、窒化物導伝体または半導体からなる。このことにより絶縁層または支持基板との密着性の良いインピーダンス素子を作製することができる。
【００４５】
また好ましくは、インピーダンス素子がインダクタンス成分を有しており、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉのいずれかを含むなどの貴金属薄膜を有するインダクタ素子である。しかも、その形状は、直線状、ループ状、ミアンダ状、あるいはスパイラル状である。即ち、インピーダンス素子を直線状とすることよりインピーダンス素子にインダクタンス成分を具備させることができ、インピーダンス成分とした時と同様の効果が得られる。
【００４６】
さらに、上述の可変容量コンデンサに、共振回路素子を接続した高周波部品である。即ち、可変容量コンデンサは集積化、小型化等が容易なため、フィルタやデュプレクサなどの高周波部品に用いることが容易となり、安定した特性の可変制御が可能で、しかも小型化に寄与できる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の可変容量コンデンサを図面に基づいて説明する。
【００４８】
図１は本発明のうち最も構成が簡単なｎ＝３個（ｍ＝１の時）の可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３を有する可変容量コンデンサの等価回路図であり、図２は、各可変容量素子を抵抗成分と見なした時の等価回路図であり、図３は、保護膜、外部端子部材を省略した状態の概略平面図である。
【００４９】
本発明の可変容量コンデンサは、図３に示すように、ｎ＝３個（ｍ＝１の時）の可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３においては、可変容量コンデンサでは、ｎ＝３個の薄膜誘電体層２ａ〜２ｃ（総じて符号２と記す）と、１つの入力電極４ａ、ｎ−１＝２個の接続電極３ａ、３ｂ（総じて符号３と記す）と、１つの出力電極４ｂと、さらに、ｎ−１個＝２個のインピーダンス素子５ａ、５ｂ（総じて符号５と記す）とで構成される。尚、入力電極４ａに接続している側または入力電極４ｂに近い側から夫々第１、第２と定義する。
【００５０】
図３の構造を図１の等価回路に示す第１の可変容量素子Ｃ１は、入力電極４ａと第１の接続電極３ａと、その両電極４ａ、３ａ間に配置された第１の薄膜誘電体層２ａで構成される。また、第２の可変容量素子Ｃ２は、第１の接続電極３ａと第２の接続電極３ｂと、その電極３ａ、３ｂ間に配置された第２の薄膜誘電体層２ｂで構成される。第３の可変容量素子Ｃ３は、第２の接続電極３ｂと出力電極４ｂと、その電極３ｂ、４ｂとの間に配置された第３の薄膜誘電体層２ｃとで構成される。
【００５１】
また、インピーダンス素子Ｚ１は、入力電極４ａと第２の接続電極３ｂとの間に配置された第１のインピーダンス素子５ａで構成され、インピーダンス素子Ｚ２は、第１の接続電極３ａと出力電極４ｂとの間に配置された第２のインピーダンス素子５ｂで構成されている。
【００５２】
また、図１の入力端子Ｉは入力電極４ａである。この入力電極４ａは、第１の可変容量素子Ｃ１の一方電極であり、且つ第１のインピーダンス素子Ｚ１の一方電極となり、接続点Ａ１に相当する。
接続点Ｂ１は、第１の接続電極３ａである。この第１の接続電極３ａは、第１の可変容量素子Ｃ１の他方電極、第２の可変容量素子Ｃ２の一方電極及び第２のインピーダンス素子Ｚ２の一方電極となる。
接続点Ａ２は、第２の接続電極３ｂである。この第２の接続電極３ｂは、第２の可変容量素子Ｃ２の他方電極、第３の可変容量素子Ｃ３の一方電極及び第１のインピーダンス素子Ｚ１の他方電極となる。
【００５３】
出力端子Ｏは出力電極４ｂである。この出力電極４ｂは、第３の可変容量素子Ｃ３の他方電極であり、且つ第２のインピーダンス素子Ｚ２の他方電極となる。
【００５４】
即ち、第１の可変容量素子Ｃ１〜第３の可変容量素子Ｃ３は、互いに直列接続されており、入力端子１である接続点Ａ１と接続点Ａ２との間に、第１のインピーダンス素子Ｚ１が配置されている。尚、等価回路上、第１のインピーダンス素子Ｚ１を含む接続ラインを入力側バイアスラインＶ１とする。また、接続点Ｂ１と出力端子Ｏである接続点Ｂ２との間に、第２のインピーダンス素子Ｚ２が配置されている。この第２のインピーダンス素子Ｚ２を含む接続ラインを出力側バイアスラインＶ２とする。
【００５５】
そして、入力端子Ｉに供給される高周波信号は、直列に接続した可変容量コンデンサＣ１〜Ｃ３を介して出力端子Ｏに流れることになる。
また、入力端子Ｉに供給される制御電圧であるＤＣバイアスは、各可変容量コンデンサＣ１〜３に別々に独立に印加されることになる。そして、この制御電圧によって、各可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３の薄膜誘電体層２の誘電率が変化して、所定容量値に制御される。ここで、各可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３は、直流成分に対して制限抵抗として見なすことができるため、図２の等価回路図に見なすことができる。即ち、可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３はそれぞれ抵抗成分Ｒｐ１、Ｒｐ２、Ｒｐ３となる。また、第１のインピーダンス素子Ｚ１、第２のインピーダンス素子Ｚ２の抵抗成分をＲ１、Ｒ２とする。
【００５６】
抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２のインピーダンス成分が小さすぎると、高周波信号も抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２を流れることになり、高周波信号による可変容量素子Ｃ２の容量変化の依存が大きくなり、Ｑが低下する。
【００５７】
また、抵抗Ｒ１、Ｒ２のインピーダンス成分が大きすぎると時定数が大きくなり、制御電圧を印加後に各可変容量素子の容量変化が一定になるまでに時間が掛かるようになる。このため、可変容量コンデンサの回路の使用条件に応じて抵抗成分が決定される。
【００５８】
抵抗成分Ｒ１、Ｒ２の上限値は、直列接続した各可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３にかかる電圧がバイアスラインの無い場合よりも大きくなる抵抗値を上限とする。バイアス電圧は図２の抵抗により分圧されるので、
可変容量素子Ｃ１について考えると、
Ｒｐ１／（Ｒ２＋Ｒｐ１）＞Ｒｐ１／（Ｒｐ１＋Ｒｐ２＋Ｒｐ３）が必要となり、Ｒ２＜Ｒｐ２＋Ｒｐ３となるようにする。
同様に、可変容量素子Ｃ２について考えると
Ｒｐ２／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒｐ２）＞Ｒｐ２／（Ｒｐ１＋Ｒｐ２＋Ｒｐ３）が必要となり、Ｒ１＋Ｒ２＜Ｒｐ１＋Ｒｐ３となるようにする。
同様に、可変容量素子Ｃ３について考えると
Ｒｐ３／（Ｒ１＋Ｒｐ３）＞Ｒｐ３／（Ｒｐ１＋Ｒｐ２＋Ｒｐ３）が必要となり、Ｒ１＜Ｒｐ２＋Ｒｐ３となるようにする。
ここでＲ１＝Ｒ２＝Ｒ、Ｒｐ１＝Ｒｐ２＝Ｒｐ３＝Ｒｐ＝１ＧΩとすると
Ｒ＜Ｒｐ＝１ＧΩ
が得られる。各可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３にかかるバアイス電圧が１／１０になる抵抗値を限界とすると、Ｒ＜１００ＭΩとなる。
また、時定数の４倍が応答時間より小さいことを要求すると、
Ｔ＜４×２×ＲＣよりＲ＜Ｔ／８Ｃとなり、ここで応答時間１０μｓ、容量２ｐＦとすると
Ｒ＜１０×１０^−６／８×（２×１０^−１２）＝６２５ｋΩ
となる。仮に、応答時間がｍｓ程度でよければ上限は６２ＭΩ程度となる。
【００５９】
また、抵抗成分Ｒ１、Ｒ２の下限については、
高周波回路で動作する高周波信号に対して直列の可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３であるためには、
抵抗Ｒ１より第１の可変容量素子Ｃ１のインピーダンスと第２の可変容量素子Ｃ２のインピーダンスの合成インピーダンスが小さくなる周波数が使用周波数より小さく、また、抵抗Ｒ２よりＣ２＋Ｃ３の合成インピーダンスが小さくなる周波数が使用周波数より小さい必要がある。
即ち、Ｒ１＞（Ｃ１＋Ｃ２）／（ω×Ｃ１×Ｃ２）
Ｒ２＞（Ｃ２＋Ｃ３）／（ω×Ｃ２×Ｃ３）
ここでＲ１＝Ｒ２＝Ｒ、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝２ｐＦ、使用周波数を２ＧＨｚとすると
Ｒ＞２Ｃ／ωＣ^２＝２／ωＣ＝８０Ω
また、使用周波数の１／１０までコンデンサであるためには、Ｒ＞８００Ωが必要となる。
【００６０】
以上より第１のインピーダンス素子Ｚ１、第２のインピーダンス素子Ｚ２を含むバイアスラインの抵抗値は、数１００Ωから１００ＭΩ程度の範囲であればよいことになる。
【００６１】
図１、図２の等価回路で説明した可変容量コンデンサは、その入力電極４ａ、出力電極４ｂ、接続電極３、薄膜誘電体層２、インピーダンス素子５の配列は図３のように配置することができる。尚、図３では、その上面に、入力電極４ａ、出力電極４ｂの一部を露出する保護膜が被覆されるが、接続状態が明確にするため、保護膜を省略している。
【００６２】
図３において１は支持基板であり、２は薄膜誘電体層（第１の誘電体を２ａ、第２の薄膜誘電体層を２ｂ、第３の薄膜誘電体層を２ｃ）であり、３は接続電極（第１の接続電極を３ａ、第２の接続電極を３ｂ）であり、４は外部接続の入出力電極（入力電極４ａ、出力電極を４ｂ）であり、５はインピーダンス素子（第１のインピーダンス素子を５ａ、第２のインピーダンス素子を５ｂ）である。尚、入出力電極４上には、半田などの端子部を設けられる。
【００６３】
図中Ｃ１〜Ｃ３は、直流の制御電圧によって容量成分を調整できる可変容量素子を示す。
【００６４】
支持基板１はアルミナなどのセラミック基板、サファイアなどの単結晶基板などである。そして、支持基板１の表面には、薄膜誘電体層２が形成されて、この薄膜誘電体層２の一方電極及び他方電極になるように、入力電極４ａ、出力電極４ｂ及び第１の接続電極３ａ、第２の接続電極３ｂが形成される。各電極４ａ、４ｂ、３ａ及び３ｂの配列について説明する。
支持基板１の図面の上部側には、入力電極４ａ及び偶数番目、即ち、第２の接続電極３ｂが一直線上に配列されている。
また、支持基板１の図面の下部側に、奇数番目、即ち、第１の接続電極３ａ及び出力電極４ｂが直線上に配列されている。そして両者の間隔を跨ぐように３つの薄膜誘電体層２ａ〜２ｃが配置されている。この３つの薄膜誘電体層２ａ〜２ｃについても、上述の各配列に平行に配置されている。具体的には、前記第１の薄膜誘電体層２ａは、入力電極４ａと第１の接続電極３ａとの間に配置され、ｎ＝３である第３の薄膜誘電体層２ｃは、第（ｎ−１）である第２の接続電極３ｂと出力電極４ｂとの間に配置され、第Ｍ＋１である第２の薄膜誘電体層２ｂは、Ｍである第１の接続電極３ａと第Ｍ＋１である第２の接続電極３ｂとの間に配置されている。
【００６５】
また、第１のインピーダンス素子５ａは、入力電極と偶数番目の接続電極同士とを接続するように、即ち、図３では、入力電極４ａと第２の接続電極３ｂとを接続するように配置されている。第２のインピーダンス素子５ｂは、奇数番目の接続電極同士及び出力電極とを接続するように、即ち、図３では、第１の接続電極３ａと出力電極４ｂとを接続するように配置されている。
このように、支持基板１の上部側の電極群（入力電極４ａと第２の接続電極３ｂ）と下部側の電極群（第１の接続電極３ａと出力電極４ｂ）とが平行に配列され、しかも、各電極が実質的に矩形状とすることにより、両電極群の外形形状を概ね矩形状とすることができる。即ち、矩形状の支持基板１と実質的に相似形状とすることが可能であるため、支持基板１の専有面積を有効に活用できる。しかも、薄膜誘電体層２及びインピーダンス素子５ａ、５ｂも実施に両電極群の配列方向に沿って形成できるため、支持基板１を高密度化することができる。
【００６６】
そして、上述の等価回路を構造に展開した時に、複雑化するインピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２を含むバイアスラインＶ１、Ｖ２をも、簡単な構造で達成することができる。即ち、入力端子側のバイアスラインＶ１は、第１のインピーダンス素子５ａ及び第１のインピーダンス素子５ａが接続される入力電極４ａと第２の接続電極３ｂとで形成されることができ、出力側のバイアスラインＶ２は、第２のインピーダンス素子５ｂ及び第２のインピーダンス素子５ｂが接続される第１の接続電極３ａと出力電極４ｂとで構成することができる。
【００６７】
このように可変容量コンデンサは、支持基板１上の全面に同一バッチで形成できるという利点も有している。まず、支持基板１上に、薄膜誘電体層２をスパッタリングにより形成し、その後、フォトリソグラフィを用いて所定形状に物理的または化学的にエッチングして、第１〜第３の薄膜誘電体層２ａ〜２ｃを形成する。続いて、各電極とする電極層をスパッタリングにより形成し、その後フォトリソグラフィを用いて所定形状に物理的または化学的にエッチングする。これにより、薄膜誘電体層２ａ〜２ｃの端部に接続する入力電極４ａ、第１の接続電極３ａ、第２の接続電極３ｂ、出力電極４ｂを形成する。その後、インピーダンス素子５ａ、５ｂとなる所定材料をスパッタリングにより形成し、フォトリソグラフィを用いて所定形状に物理的エッチングして形成する。
【００６８】
薄膜誘電体層２ａ、２ｂ、２ｃは、少なくともＢａ、Ｓｒ、Ｔｉを含有するペロブスカイト型酸化物結晶粒子から成る高誘電率の誘電体層である。この薄膜誘電体層２は、上述の支持基板１の表面に形成されている。例えば、ペロブスカイト型酸化物結晶粒子が得られる誘電体をターゲットとして、スパッタリングを行なう。例えば、基板温度を８００℃として、厚みを考慮した時間だけ成膜を行なう。高温でスパッタを行なうことにより、スパッタ後の熱処理を行なうこと無く、高誘電率で変化率が大きく損失の低い誘電体層が得られる。
【００６９】
入力電極４ａ、第１の接続電極３ａ、第２の接続電極３ｂ、出力電極４ｂは、抵抗を下げるため、抵抗率の小さなＡｕが望ましく、他に、Ａｇ、Ａｌなども使用できるが、薄膜誘電体層２との密着性向上のためにはＰｔ、Ｐｄなどの高融点貴金属が望ましい。この入力電極４ａ、第１の接続電極３ａ、第２の接続電極３ｂ、出力電極４ｂの厚みは０．１〜１０μｍとなっている。厚みの下限については、電極自身の抵抗を考慮して設定され、また、厚みの上限については密着性の低下を考慮して設定される。
【００７０】
インピーダンス素子５ａ、５ｂは、図１の等価回路図中、接続点Ａ１と接続点Ａ２とを結ぶ第１のインピーダンス素子Ｚ１と、接続点Ｂ１と接続点Ｂ２とを結ぶ第２のインピーダンス素子Ｚ２である。所定インピーダンス成分Ｚ１、Ｚ２を具備させるため、材料には、高抵抗材料のＮｉ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ａｕ、Ｐｔなどの貴金属材料（厚みを制御してインピーダンス成分を調整する）、Ｎｉ、Ｆｅ等の強磁性体材料、酸化物導電体材料、窒化物導電体材料又は半導体材料を用いることができる。厚み、長さにおいては、必要とするインピーダンス値によって設定される。
【００７１】
尚、図では省略しているが、入力電極４ａ、第１の接続電極３ａ、第２の接続電極３ｂ、出力電極４ｂ、薄膜誘電体層２の上部には、外部からの機械的な衝撃からの保護の他、湿度による劣化、薬品の汚染、酸化等を防止するための保護膜が形成される。尚、この保護膜は、入力電極４ａ、出力電極４ｂの一部を露出させさて形成し、この露出部分にハンダ拡散防止層を形成し、半田端子または半田電極を形成してもよい。また、半田端子部の代わりに金属ワイヤーのファーストボンディングを行い、所定長さで切断することにより、金などのバンプを形成しても構わない。
【００７２】
尚、上述の第１の可変容量素子Ｃ１〜第３の可変容量素子Ｃ３の容量を形成する構造として、平面的に配置された一対の電極（入力電極４ａと第１の接続電極３ａ、第１の接続電極３ａと第２の接続電極３ｂ，第２の接続電極３ｂと出力電極４ｂ）間を跨がるように薄膜誘電体層２を配置して、一対の電極間で容量を形成できる。この一対の電極の対向部分は、図３において直線状となっているが、高い容量を有るために、対向部分を互いにかみ合うようにしてもよい。即ち、インターデジタル構造であってもよい。この対向部分は、電極全体からすれば、内部領域での構造であるため、電極全体の外観形状には全く影響を与えないため、支持基板１の専有面積を維持した状態で行なえる。
【００７３】
さらに、第１の可変容量素子Ｃ１〜第３の可変容量素子Ｃ３の容量を形成する構造として、平面的配置から、厚み方向としてもよい。即ち、図３の図面上部側に位置する入力電極４ａ、第２の接続電極３ｂを第１の可変容量素子Ｃ１〜第３の可変容量素子Ｃ３の下部電極として、支持基板１上に形成し、続いて薄膜誘電体層２ａ〜２ｃを形成し、その後、薄膜誘電体層２ａ〜２ｃを介して下部電極の一部に厚み方向に対向するように第１の接続電極３ａ及び出力電極４ｂを形成する。製造工程で、電極の形成工程が若干増加するものの、このような積層構造を行っても、支持基板１の専有面積を維持したままで行なえる。
【００７４】
また、上述の製造工程は、まず、各電極４ａ、４ｂ、３を形成し、次ぎに薄膜誘電体層２を形成し、その後インピーダンス素子５を形成するようにしてもよい。
【００７５】
以上の説明は、３個の可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３を有する例である。このような各可変容量素子に独立した制御電圧を印加して、容量の変化率を均一し、しかも、高周波信号の電圧による容量変化のバラツキを抑えた可変容量コンデンサは、３素子以外に、５素子、７素子・・のように奇数素子でも有効であり、また、上述の支持基板１の配列も同様にして行なえる。
【００７６】
図４は、ｎ＝５である５素子型の可変容量コンデンサの概略図であり、図５は、その等価回路図である。
ｎ＝５である５素子の可変容量素子を有する場合、薄膜誘電体層２はｎである５つ必要となる。また、１つの入力電極４ａ、１つの出力電極４ｂが必要となる。また、接続電極３は、ｎ−１の４である第１〜第４の接続電極３ａ〜３ｄが必要となり、さらに、インピーダンス素子５は、ｎ−１の４である第１〜第４のインピーダンス素子５ａ〜５ｄが必要となる。
【００７７】
そして、支持基板１の図面の上部側には、入力電極４ａと及び第２×Ｍで表される偶数番目、即ち、第２の接続電極３ｂ、第４の接続電極３ｄが一直線上に配列されている。
【００７８】
また、支持基板１の図面の下部側に、２×Ｍ−１で表される奇数番目、即ち、第１の接続電極３ａ、第３の接続電極３ｃ及び出力電極４ｂが直線上に配列されている。
【００７９】
その両者の間隔を跨ぐように５つの薄膜誘電体層２ａ〜２ｅが配置されている。この５つの薄膜誘電体層２ａ〜２ｅについても、上述の各配列に平行に配置されている。
【００８０】
具体的には、前記第１の薄膜誘電体層２ａは、入力電極４ａと第１の接続電極３ａとの間に配置されている。
【００８１】
また、ｎ＝５である第５の薄膜誘電体層２ｅは、第（ｎ−１）である第４の接続電極３ｄと出力電極４ｂとの間に配置されている。
【００８２】
また、第Ｍ＋１（Ｍ＝１）である第２の薄膜誘電体層２ｂは、第Ｍである第１の接続電極３ａと第Ｍ＋１である第２の接続電極３ｂとの間に配置されている。
【００８３】
また、第Ｍ＋１（Ｍ＝２）である第３の薄膜誘電体層２ｃは、第Ｍである第２の接続電極３ｂと第Ｍ＋１である第３の接続電極３ｃとの間に配置されている。
【００８４】
また、第Ｍ＋１（Ｍ＝３）である第４の薄膜誘電体層２ｄは、第Ｍである第３の接続電極３ｃと第Ｍ＋１である第４の接続電極３ｄとの間に配置されている。
【００８５】
また、第１のインピーダンス素子５ａ、第３のインピーダンス素子５ｃは、入力電極と偶数番目の接続電極同士とを接続するように、即ち、図４では、入力電極４ａと第２の接続電極３ｂとを接続するように、また第２の接続電極３ｂと第４の接続電極３ｄとを接続するように配置されている。
【００８６】
第２のインピーダンス素子５ｂ、第４のインピーダンス素子５ｄは、奇数番目の接続電極同士と出力電極とを接続するように、即ち、図４では、第１の接続電極３ａと第３の接続電極３ｃとを接続するように、また、第３の接続電極３ｃと出力電極４ｂとを接続するように配置されている。
【００８７】
このように、支持基板１の上部側の電極群（入力電極４ａ、第２の接続電極３ｂ、第４の接続電極３ｄ）と下部側の電極群（第１の接続電極３ａ、第３の接続電極３ｃ、出力電極４ｂ）とが平行に配列され、しかも、各電極が実質的に矩形状とすることにより、両電極群の外形形状を概ね矩形状とすることができる。即ち、矩形状の支持基板１と実質的に相似形状とすることが可能であるため、支持基板１の専有面積を有効に活用できる。しかも、薄膜誘電体層２及びインピーダンス素子５ａ〜５ｄも実施に両電極群の配列方向に沿って形成できるため、支持基板１を高密度化することができる。
【００８８】
また、図５の等価回路を考えると、接続点Ａ１と接続点Ａ２との間のインピーダンス素子Ｚ１を含む入力側の第１のバイアスラインＶ１は、入力電極４ａと第１のインピーダンス素子５ａと第２の接続電極３ｂで構成され、接続点Ａ３と接続点Ａ４との間のインピーダンス素子Ｚ３を含む入力側の第２のバイアスラインＶ３は、第２の接続電極３ｂと第３のインピーダンス素子５ｃと第４の接続電極３ｄで構成される。また、接続点Ｂ１と接続点Ｂ２との間のインピーダンス素子Ｚ２を含む出力側の第１のバイアスラインＶ２は、第２の接続電極３ｂと第２のインピーダンス素子５ｂと第３の接続電極３ｃで構成され、接続点Ｂ３と接続点Ｂ４との間のインピーダンス素子Ｚ４を含む出力側の第２のバイアスラインＶ４は、第３の接続電極３ｃと出力電極４ｂで構成される。
【００８９】
以上のように、３素子、５素子の以外の奇数素子において、例えば、可変容量素子数（薄膜誘電体層の数）と各構成部材の数との関係を表１に、入力電極側に配列される接続電極、インピーダンス素子の関係を表２に、出力電極側に配列される接続電極、インピーダンス素子の関係を表３に示す。
【００９０】
【表１】

【００９１】
【表２】

【００９２】
【表３】

【００９３】
このような可変容量コンデンサを、共振回路に接続して高周波共振回路部品として、また、共振回路どうしの結合手段として用いることにより、直流バイアス電圧の印加により周波数特性を大きく変化できるが、高周波信号による周波数特性の変化、ノイズ、非線形歪みは小さく抑えることができ、波形歪、相互変調歪みノイズを小さく抑えることができ、さらに耐電力に優れた高周波用電圧制御型共振器、電圧制御型高周波フィルタ、電圧制御型整合回路素子および電圧制御型アンテナ共用器などの高周波部品となる。
【００９４】
【実施例】
容量６ｐＦ、直列抵抗０．１Ω、直列インダクタンス１００ｐＨの可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３を直列接続し、１０ｋΩのインピーダンス成分Ｚ１、Ｚ２をインピーダンス素子５に備えた可変容量コンデンサのインピーダンス特性を図６に示したものである。
６．５ＧＨｚに可変容量素子の自己共振、１．２ＭＨｚインピーダンス素子５による変曲点が見られ、この間では３素子の容量６ｐＦの可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３を直列接続による合成容量２ｐＦとなっており、変曲点より低周波側では可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３の容量６ｐＦのコンデンサを並列接続した合成抵抗１８ｐＦとなっていることがわかる。これにより、変曲点と自己共振周波数の間の高周波信号に対しては３素子の可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３は直列になっているため１素子あたりの可変容量素子にかかる高周波電圧は１／３になり、容量変化による波形歪が小さく、直流も含む変曲点以下の周波数に対しては３素子の可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３は並列になっており、容量変化を大きく保つことが出来る。
【００９５】
支持基板としてサファイアＲ基板上に、誘電体層として（Ｂａ_０．５Ｓｒ_０．５）ＴｉＯ_{３０．８５}からなるターゲットを用いて同一バッチで成膜した。これは、基板温度は８００℃、成膜時間は２０分で成膜を行なった。その後、ＥＣＲ装置により誘電体層をエッチングし、レジスト層剥離後、その上に電極層としてＰｔおよびＡｕ電極層を同一バッチで形成膜し、取り出し後レジスト層を形成し、ＥＣＲ装置によりエッチングした。
【００９６】
レジスト層剥離後、インピーダンスアナライザによる測定の結果、容量は約１．５Ｆであり、容量変化率はＤＣ３Ｖ印加時で約６％であった。
測定後、インピーダンス素子５としてＴａＮを同一バッチで成膜し、取り出し後レジスト層を形成し、ＥＣＲ装置により不要部をエッチングした。
インピーダンス素子形成後に再度インピーダンスアナライザによる測定を行なった結果、容量変化率はＤＣ３Ｖ印加時で約１８％であった。また、容量は高周波では１．５ｐＦであった。
【００９７】
即ち、容量変化率が大きく、低周波では並列接続で、高周波で直列接続された可変容量コンデンサができることを確認した。
【００９８】
【発明の効果】
直列に接続した第１乃至第３の可変容量素子からなる可変容量コンデンサに直流バイアス印加用のインピーダンス素子を配置することにより、各可変容量素子に直流バイアス電圧を安定且つ均一に印加できる。このため、容量の変化を大きくし、且つ高周波信号による容量の変化、ノイズ、非線形歪みは小さく抑えることができる可変容量コンデンサとなる。
【００９９】
同時に、これを支持基板上に各電極、薄膜誘電体層、インピーダンス素子を全体として矩形状に配置でき、支持基板１に占める電極などの占有効率が向上させることができる。このため、取り扱いに容易で小型な可変容量コンデンサとなる。
【０１００】
また、前記可変容量コンデンサを用いることにより、直流バイアス電圧の印加により周波数特性を大きく変化できるが、高周波信号による周波数特性の変化、ノイズ、非線形歪みは小さく抑えることができ、波形歪、相互変調歪みノイズを小さく抑えることができ、さらに耐電力に優れ、小型化が可能な高周波用電圧制御型共振器、電圧制御型高周波フィルタ、電圧制御型整合回路素子および電圧制御型アンテナ共用器などの高周波部品となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の可変容量コンデンサの等価回路図である。
【図２】図１の等価回路をインピーダンス成分に置き換えた等価回路図である。
【図３】本発明の可変容量コンデンサの平面図である。
【図４】本発明の別の可変容量コンデンサの平面図である。
【図５】本発明の別の可変容量コンデンサの等価回路図である。
【図６】本発明の可変容量コンデンサ回路のインピーダンス特性図である。
【符号の説明】
１・・・支持基板
２、２ａ〜２ｅ・・・薄膜誘電体層
３、３ａ〜３ｄ・・・接続電極
４ａ・・・入力電極
４ｂ・・・出力電極
５、５ａ〜５ｄ・・・インピーダンス素子
Ｃ１〜Ｃ３可変容量素子
Ｚ１第１のインピーダンス素子
Ｚ２第２のインピーダンス素子
Ｉ、Ｏ入出力端子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a variable capacitor in which a thin film dielectric layer is formed between a pair of electrodes, an odd number of which are connected in series with each other, and a variable capacitor which can apply a common control voltage to each variable capacitor. The present invention relates to a variable capacitor that is extremely easy to miniaturize.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a thin film capacitor is formed by arranging a pair of electrodes and a thin film dielectric layer between the electrodes. That is, the lower electrode layer, the thin film dielectric layer, and the upper electrode layer are laminated on the supporting substrate. Further, as another structure, one electrode layer connected to one end of the thin film dielectric layer and the other electrode layer connected to the other end of the thin film dielectric layer are formed on the support substrate.
[0003]
Usually, the support substrate is made of a material having excellent electrical insulation, and the lower electrode layer, the upper electrode layer, the one electrode and the other electrode are formed by a thin film technique such as a sputtering method, a vapor deposition method, and an ion plating method. Was. That is, a conductor layer serving as an electrode layer is formed on the entire support substrate, and, for example, only necessary portions are covered with a resist using photolithography, and then dry etching or wet etching is performed to remove unnecessary portions, thereby forming each of the predetermined shapes. An electrode layer was formed, and the resist film was peeled off.
[0004]
Further, the thin film dielectric layer has been formed by a thin film technique such as a sputter or sol-gel method. A thin-film dielectric layer is formed on the entire surface of the support substrate on which the electrode layer is formed, and unnecessary portions are removed to form a dielectric layer having a predetermined shape, similarly to the lower electrode layer.
[0005]
Note that, depending on the structure of the thin film capacitor, the electrode layer may be formed on a thin film dielectric, for example, in addition to being formed on a support substrate.
[0006]
Thereafter, a protective film layer and a solder terminal were formed.
[0007]
Here, in the variable capacitance element, (Ba) is used as the material of the thin film dielectric layer. _x , Sr _1-x ) _y Ti _1-y O _3-z And simultaneously applying a control voltage between a pair of electrodes sandwiching the thin-film dielectric layer, thereby changing the dielectric constant of the thin-film dielectric layer and, as a result, arbitrarily changing the capacitance value of the variable capacitance element. Can be. For example, it is disclosed in a patent document (JP-A-11-260667).
[0008]
The change in the capacitance value of the variable capacitance element can be widely used not only in a high frequency region but also in a high frequency circuit operating at a high frequency. For example, using a variable capacitance element and a resonance circuit element (part of a filter circuit), the resonance frequency characteristic and the filter characteristic can be variably adjusted by utilizing the change in capacitance of the variable capacitance element. For example, in a voltage controlled thin-film resonator combining a variable capacitance element and a thin-film inductor, the resonance frequency can be changed by controlling the control voltage. Further, in a voltage-controlled thin-film bandpass filter in which a variable capacitance element or a voltage-controlled thin-film resonator is combined with a thin-film inductor and a thin-film capacitor, the passband can be changed by controlling the control voltage. A voltage-controlled electronic component for microwaves is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-509103.
[0009]
When the variable capacitance element is used in a high-frequency electronic component, a control voltage applied to the variable capacitance element for the purpose of varying the capacitance and a voltage (high-frequency voltage) component of a high-frequency signal of the high-frequency circuit are simultaneously applied. Thus, when the high-frequency voltage is high, the capacitance value of the variable capacitance element changes even by the high-frequency voltage. In this case, a change in the capacitance of the variable capacitance element due to the high-frequency voltage occurs, causing waveform distortion and intermodulation distortion noise. In order to reduce the waveform distortion and the intermodulation distortion noise, it is necessary to lower the high-frequency electric field strength and reduce the capacitance change due to the high-frequency voltage.
[0010]
In addition, since a current easily flows through a capacitor with a high-frequency signal, when the capacitor is used for a high-frequency signal, the capacitor generates heat due to the loss resistance of the capacitor, and as a result, is broken.
[0011]
It is effective to reduce the high-frequency electric field strength and to increase the thickness of the thin-film dielectric layer against the change in capacitance and the deterioration of withstand voltage due to the high-frequency voltage. However, when the thickness of the dielectric layer is increased, the DC electric field intensity is also reduced, so that the capacitance change rate is also reduced.
[0012]
Another solution is to stack a plurality of variable capacitance elements and connect the respective variable capacitance elements in series. However, when the variable capacitance elements are connected in series in such a laminated structure, the control voltage applied to each capacitance element is not uniformly applied, and a variation in the dielectric constant occurs in the thin film dielectric layer of the variable capacitance elements connected in series. As a result, the amount of change in the overall capacitance value is reduced.
[Patent Document 1]
JP-A-11-260667
[Patent Document 2]
Japanese Patent Publication No. Hei 8-509103
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
A structure in which a plurality of variable capacitance elements are arranged on a support substrate, the respective variable capacitance elements are connected in series, and a common control voltage is applied to each electrode layer is considered. However, in the case of such a structure, a variable capacitance element including an electrode layer and a thin film dielectric layer is formed on a supporting substrate, and a bias line for uniformly applying a control voltage is required. In other words, the structure becomes very complicated on the supporting substrate, and the structure becomes complicated if the number of series of variable capacitance elements increases.
[0014]
That is, in recent years, it has become impossible to cope with the miniaturization required for this kind of component.
[0015]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object to form a capacitor connected in series on a supporting substrate with a simple structure, to reduce a change in capacitance due to a high-frequency signal, and to control a control signal. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a variable capacitor capable of obtaining a large change in capacitance due to the above and further reducing the size.
[0016]
Another object is to realize a low intermodulation distortion by using the above-mentioned variable capacitor, and to provide a high-frequency voltage-controlled thin-film resonator having excellent withstand voltage, withstand voltage, and excellent temperature characteristics, and a voltage-controlled thin-film high-frequency resonator. It is an object of the present invention to provide high frequency components such as a filter, a voltage control type matching circuit element, and a voltage control type thin film antenna duplexer.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has n thin film dielectric layers, an input electrode, n-1 connection electrodes and an output electrode, and each of the thin film dielectric layers is sandwiched between any two of the electrodes, And a variable capacitor composed of n variable capacitance elements connected in series, and n-1 impedance elements for supplying a control voltage to the variable capacitance element,
The first connection electrode, the second connection electrode,..., The (n−1) th connection electrode and the first thin film dielectric layer are arranged from the side closer to the input electrode side. 2 thin film dielectric layers: When the nth thin film dielectric layer is formed,
On the support substrate,
The input electrodes and the even-numbered connection electrodes are arranged on a straight line, and the odd-numbered connection electrodes and the output electrode are arranged on a straight line parallel to the straight line,
Placing the first thin film dielectric layer between an input electrode and a first connection electrode;
The n-th thin film dielectric layer is disposed between the (n-1) -th connection electrode and the output electrode.
And disposing the (M + 1) th thin film dielectric layer between the (M) th connection electrode and the (M + 1) th connection electrode, respectively.
A variable capacitor, wherein the impedance element is arranged between the input electrode and even-numbered connection electrodes and between odd-numbered connection electrodes and the output electrode.
(However, n = 2m + 1, m = 1, any integer of 2, 3,..., 1 <M <n−1).
[0018]
Further, the input electrode, the output electrode, and the connection electrode are arranged in a substantially rectangular shape as a whole.
[0019]
Further, the entire shape of the electrode pattern including the input electrode, the output electrode, and the first and second connection electrodes is substantially rectangular. Moreover, the n thin film dielectric thin films are arranged on a straight line in a plan view.
[0020]
The input electrodes share a signal input terminal for a high-frequency signal and a DC control voltage input terminal. The output electrodes serve as reference potential terminals for the high-frequency signal and the DC control voltage, respectively.
[0021]
The support substrate is a low dielectric constant material having a dielectric constant of less than 30, and includes MgO, alumina, sapphire, and LaAlO. ₃ Consists of either.
[0022]
The thin film dielectric layer comprises (Ba _x , Sr _1-x ) _y Ti _1-y O _3-z Consists of
[0023]
The input electrode, the connection electrode, and the output electrode are made of one of Au, Pt, Al, and Cu.
[0024]
Further, the impedance element is a resistance component or an inductance component.
[0025]
Preferably, the impedance element has a resistance component, and the resistance component is composed of a high resistance alloy thin film containing a Ni—Cr alloy or an Fe—Cr—Al alloy. Further, it is composed of an oxide conductor material, a nitride conductor material or a semiconductor material.
[0026]
Also preferably, the impedance element has an inductance component, and is an inductor element having a noble metal thin film such as one containing Au, Pt, or Ti. That is, it is composed of a ferromagnetic thin film such as Ni or Fe. Moreover, the shape is linear, loop, meander, or spiral.
[0027]
Further, it is a high-frequency component in which a resonance circuit element is connected to the above-mentioned variable capacitor.
[Action]
In the variable capacitor according to the present invention, the input electrodes and the even-numbered connection electrodes of the connection electrodes are arranged in a straight line, and the odd-numbered connection electrodes of the connection electrodes are arranged in a straight line. Each array is formed so as to be parallel to each other, and a thin-film dielectric layer whose dielectric constant is changed by a control voltage is disposed therebetween. That is, the arrangement state of the thin film dielectric layers is also arranged in a straight line. Further, the impedance elements are arranged such that the input electrodes arranged on a straight line and the output electrodes arranged on a straight line are connected between even-numbered connection electrodes of the connection electrodes, and the connection electrodes. It is formed so as to be connected between the odd-numbered connection electrodes.
[0028]
That is, the connection electrodes, the thin-film dielectric layers, and the impedance elements are regularly arranged irrespective of the number of variable capacitance elements connected in series, so they are connected in series on the support substrate, and a control voltage is applied to each variable capacitance element. A structure to be applied uniformly can be efficiently formed, and the shape of the support group can be minimized.
[0029]
With such a structure, since the high-frequency voltage applied to the variable capacitance elements connected in series is divided into the respective capacitance elements, the voltage applied to each capacitance element decreases. From this, the change in capacitance due to the high-frequency signal can be kept small. Further, by providing the impedance element, a DC control voltage can be applied to each thin film dielectric layer independently, so that a change in capacitance due to the control voltage can be kept large.
[0030]
Thus, a variable capacitor capable of obtaining a small change in capacitance due to a high-frequency signal and a large change in capacitance due to a control signal and capable of being downsized can be provided.
[0031]
In addition, since the impedance element includes at least a resistance component and / or an inductance component, a high-frequency signal does not enter the impedance element. The change can be small.
[0032]
Further, the DC current (control voltage) does not flow through each variable capacitance element because each variable capacitance element operates as a DC limiting resistor. That is, it is applied to each variable capacitance element via the connection electrode and the impedance element, and becomes a variable capacitance element which is connected in parallel in terms of direct current, does not cause a voltage drop of the control voltage, and greatly changes the capacitance. Can be maintained.
[0033]
Further, since the entire shape of the input electrode, the output electrode, and the connection electrode is arranged in a substantially rectangular shape, the ratio of the electrode occupying the support substrate can be increased. For this reason, the variable capacitor is easy to handle and small in size.
[0034]
Further, since the input electrode of the variable capacitance capacitor shares the input terminal of the high frequency and the input terminal of the DC control voltage, the number of terminals is reduced, thereby facilitating downsizing.
[0035]
The input electrodes share a signal input terminal for a high-frequency signal and a DC control voltage input terminal. The output electrodes serve as reference potential terminals for the high-frequency signal and the DC control voltage, respectively.
[0036]
Further, the support substrate is made of a low dielectric constant material having a dielectric constant of less than 30, such as MgO, alumina, sapphire, LaAlO. ₃ , The adhesion to the electrode layer and the adhesion to the thin film dielectric layer are good, and the capacitance change rate of the variable capacitor is maximized because it does not affect the dielectric constant of the thin film dielectric layer. Available to Moreover, MgO, alumina, sapphire, LaAlO ₃ Has excellent heat resistance and can form an electrode layer, a thin film dielectric layer, and the like by a high-temperature process.
[0037]
The thin film dielectric layer comprises (Ba _x , Sr _1-x ) _y Ti _1-y O _3-z Therefore, it is possible to manufacture a variable capacitor having a large capacitance change rate and a small loss that can be used as a variable capacitance element by applying a control voltage.
[0038]
Since the input electrode, the connection electrode, and the output electrode are made of any metal of Au, Pt, Al, and Cu, a low resistance of the electrode layer can be realized and a high Q can be achieved.
[0039]
Further, the impedance element is a resistance component or an inductance component.
[0040]
Preferably, the impedance element has a resistance component, and the resistance component is composed of a high resistance alloy thin film containing a Ni—Cr alloy or an Fe—Cr—Al alloy. Further, it is composed of an oxide conductor material, a nitride conductor material or a semiconductor material.
[0041]
Further, by using a high-resistance alloy thin film, a thin-film capacitor element characterized in that all or a part of the impedance element is made of a high-resistance alloy thin film such as a Ni-Cr alloy or an Fe-Cr-Al alloy. High resistance can be achieved even with a short resistance wire, and a variable capacitor with a small size and low cost can be manufactured.
[0042]
In addition, when all or a part of the impedance element is made of a noble metal thin film such as Au or Pt, and the metal thin film is formed as a very thin film by a sputtering method, a vapor deposition method, etc., the film does not become a complete film but has a fine island-like shape. It becomes a film of poor quality consisting of a metal lump, and the resistance value sharply increases as the film thickness decreases. By using a noble metal having a small resistivity using this property, a conductive film having an impedance component having high resistance and excellent oxidation resistance can be obtained.
[0043]
Further, all or a part of the impedance element is made of a ferromagnetic thin film such as Ni or Fe. For this reason, since the ferromagnetic material has a large magnetic permeability μ, the skin depth represented by δ = 1 / √ (πfμσ) tends to be smaller than that of the paramagnetic material. (However, f is the frequency and σ is the conductivity.) Therefore, even if a film having a mechanically stable thickness is produced, the skin depth becomes small and the resistance becomes high at a high frequency. Can be produced.
[0044]
Further, all or a part of the impedance element is made of an oxide conductor, a nitride conductor, or a semiconductor. Thus, an impedance element having good adhesion to the insulating layer or the supporting substrate can be manufactured.
[0045]
Also preferably, the impedance element has an inductance component, and is an inductor element having a noble metal thin film such as one containing Au, Pt, or Ti. Moreover, the shape is linear, loop, meander, or spiral. That is, the impedance element can be provided with an inductance component by making the impedance element linear, and the same effect as when the impedance element is used can be obtained.
[0046]
Further, it is a high-frequency component in which a resonance circuit element is connected to the above-mentioned variable capacitor. That is, since the variable capacitor is easily integrated, miniaturized, and the like, it can be easily used for high-frequency components such as a filter and a duplexer, and can perform stable variable control of characteristics and contribute to miniaturization.
[0047]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a variable capacitor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0048]
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a variable capacitance capacitor having n = 3 (when m = 1) variable capacitance elements C1 to C3, which are the simplest configurations of the present invention, and FIG. Is an equivalent circuit diagram when is regarded as a resistance component, and FIG. 3 is a schematic plan view in a state where a protective film and an external terminal member are omitted.
[0049]
As shown in FIG. 3, in the variable capacitor of the present invention, n = 3 (when m = 1) variable capacitor C1 to C3, n = 3 thin film dielectric layers in the variable capacitor. 2a to 2c (collectively denoted by reference numeral 2), one input electrode 4a, n-1 = two

connection electrodes

3a, 3b (collectively denoted by reference numeral 3), one output electrode 4b, and n- 1 = 2

impedance elements

5a and 5b (collectively denoted by reference numeral 5). The side connected to the input electrode 4a or the side near the input electrode 4b is defined as first and second, respectively.
[0050]
The first variable capacitance element C1 whose structure in FIG. 3 is shown in the equivalent circuit in FIG. 1 includes an input electrode 4a, a first connection electrode 3a, and a first thin film dielectric disposed between the

electrodes

4a and 3a. It is composed of the layer 2a. The second variable capacitance element C2 includes a first connection electrode 3a, a second connection electrode 3b, and a second thin-film dielectric layer 2b disposed between the

electrodes

3a and 3b. The third variable capacitance element C3 includes a second connection electrode 3b, an output electrode 4b, and a third thin-film dielectric layer 2c disposed between the

electrodes

3b and 4b.
[0051]
The impedance element Z1 is composed of a first impedance element 5a disposed between the input electrode 4a and the second connection electrode 3b, and the impedance element Z2 is composed of the first connection electrode 3a and the output electrode 4b. The second impedance element 5b is disposed between the second impedance elements 5b.
[0052]
The input terminal I in FIG. 1 is the input electrode 4a. The input electrode 4a is one electrode of the first variable capacitance element C1 and one electrode of the first impedance element Z1, and corresponds to the connection point A1.
The connection point B1 is the first connection electrode 3a. The first connection electrode 3a becomes the other electrode of the first variable capacitance element C1, one electrode of the second variable capacitance element C2, and one electrode of the second impedance element Z2.
The connection point A2 is the second connection electrode 3b. The second connection electrode 3b becomes the other electrode of the second variable capacitance element C2, one electrode of the third variable capacitance element C3, and the other electrode of the first impedance element Z1.
[0053]
The output terminal O is the output electrode 4b. This output electrode 4b is the other electrode of the third variable capacitance element C3 and the other electrode of the second impedance element Z2.
[0054]
That is, the first variable capacitance element C1 to the third variable capacitance element C3 are connected in series with each other, and the first impedance element Z1 is provided between the connection points A1 and A2, which are the input terminals 1. Are located. In the equivalent circuit, a connection line including the first impedance element Z1 is referred to as an input-side bias line V1. Further, a second impedance element Z2 is arranged between the connection point B1 and the connection point B2 which is the output terminal O. The connection line including the second impedance element Z2 is referred to as an output-side bias line V2.
[0055]
Then, the high-frequency signal supplied to the input terminal I flows to the output terminal O via the variable capacitance capacitors C1 to C3 connected in series.
Further, a DC bias, which is a control voltage supplied to the input terminal I, is separately and independently applied to each of the variable capacitors C1 to C3. Then, the dielectric constant of the thin film dielectric layer 2 of each of the variable capacitance elements C1 to C3 is changed by the control voltage, and is controlled to a predetermined capacitance value. Here, since each of the variable capacitance elements C1 to C3 can be regarded as a limiting resistance to the DC component, it can be regarded as an equivalent circuit diagram in FIG. That is, the variable capacitance elements C1 to C3 become resistance components Rp1, Rp2, and Rp3, respectively. The resistance components of the first impedance element Z1 and the second impedance element Z2 are R1 and R2.
[0056]
If the impedance components of the resistor R1 and the resistor R2 are too small, a high-frequency signal will also flow through the resistor R1 and the resistor R2, and the dependency of the high-frequency signal on the change in the capacitance of the variable capacitance element C2 will increase, and Q will decrease.
[0057]
On the other hand, if the impedance components of the resistors R1 and R2 are too large, the time constant increases, and it takes time until the change in capacitance of each variable capacitance element becomes constant after the control voltage is applied. Therefore, the resistance component is determined according to the use condition of the circuit of the variable capacitor.
[0058]
The upper limit value of the resistance components R1 and R2 is set to a resistance value at which the voltage applied to each of the series-connected variable capacitance elements C1 to C3 becomes larger than that without a bias line. Since the bias voltage is divided by the resistor of FIG.
Considering the variable capacitance element C1,
Rp1 / (R2 + Rp1)> Rp1 / (Rp1 + Rp2 + Rp3) is required, and R2 <Rp2 + Rp3.
Similarly, when considering the variable capacitance element C2,
Rp2 / (R1 + R2 + Rp2)> Rp2 / (Rp1 + Rp2 + Rp3) is required, and R1 + R2 <Rp1 + Rp3.
Similarly, when considering the variable capacitance element C3,
Rp3 / (R1 + Rp3)> Rp3 / (Rp1 + Rp2 + Rp3) is required, and R1 <Rp2 + Rp3.
Here, if R1 = R2 = R, Rp1 = Rp2 = Rp3 = Rp = 1GΩ
R <Rp = 1GΩ
Is obtained. Assuming that the resistance value at which the Baize voltage applied to each of the variable capacitance elements C1 to C3 becomes 1/10 is the limit, R <100 MΩ.
Also, if you request that the time constant be four times smaller than the response time,
From T <4 × 2 × RC, R <T / 8C, where the response time is 10 μs and the capacitance is 2 pF.
R <10 × 10 ^-6 / 8 × (2 × 10 ^-12 ) = 625 kΩ
It becomes. If the response time is about ms, the upper limit is about 62 MΩ.
[0059]
Also, regarding the lower limits of the resistance components R1 and R2,
In order to be a variable capacitance element C1 to C3 in series with a high frequency signal operating in a high frequency circuit,
The frequency at which the combined impedance of the impedance of the first variable capacitance element C1 and the impedance of the second variable capacitance element C2 is smaller than the resistance R1 is smaller than the frequency used, and the frequency at which the combined impedance of C2 + C3 is smaller than the resistance R2 is used. Must be lower than frequency.
That is, R1> (C1 + C2) / (ω × C1 × C2)
R2> (C2 + C3) / (ω × C2 × C3)
Here, assuming that R1 = R2 = R, C1 = C2 = C3 = 2 pF, and the used frequency is 2 GHz.
R> 2C / ωC ² = 2 / ωC = 80Ω
Further, in order to use the capacitor up to 1/10 of the working frequency, R> 800Ω is required.
[0060]
As described above, the resistance value of the bias line including the first impedance element Z1 and the second impedance element Z2 may be in the range of several hundred Ω to about 100 MΩ.
[0061]
In the variable capacitor described in the equivalent circuit of FIGS. 1 and 2, the arrangement of the input electrode 4a, the output electrode 4b, the connection electrode 3, the thin film dielectric layer 2, and the impedance element 5 may be arranged as shown in FIG. it can. In FIG. 3, the upper surface is covered with a protective film exposing a part of the input electrode 4a and the output electrode 4b, but the protective film is omitted for clarifying the connection state.
[0062]
In FIG. 3, 1 is a support substrate, 2 is a thin film dielectric layer (first dielectric 2a, second thin film dielectric layer 2b, third thin film dielectric layer 2c), and 3 is a thin film dielectric layer. Connection electrodes (first connection electrode 3a, second connection electrode 3b), input / output electrodes 4 for external connection (input electrode 4a, output electrode 4b), and 5 an impedance element (first electrode) 5a, and the second impedance element is 5b). Note that a terminal portion such as a solder is provided on the input / output electrode 4.
[0063]
In the figure, C1 to C3 denote variable capacitance elements whose capacitance components can be adjusted by a DC control voltage.
[0064]
The support substrate 1 is a ceramic substrate such as alumina or a single crystal substrate such as sapphire. A thin-film dielectric layer 2 is formed on the surface of the support substrate 1, and the input electrode 4a, the output electrode 4b, and the first connection electrode are formed so as to be one electrode and the other electrode of the thin-film dielectric layer 2. 3a and a second connection electrode 3b are formed. The arrangement of the

electrodes

4a, 4b, 3a and 3b will be described.
On the upper side of the drawing of the support substrate 1, the input electrodes 4a and the even-numbered, that is, the second connection electrodes 3b are arranged in a straight line.
In addition, odd-numbered, ie, first connection electrodes 3a and output electrodes 4b are arranged in a straight line below the support substrate 1 in the drawing. Then, three thin film dielectric layers 2a to 2c are arranged so as to straddle the space between them. These three thin-film dielectric layers 2a to 2c are also arranged in parallel to the above-described arrangements. Specifically, the first thin-film dielectric layer 2a is disposed between the input electrode 4a and the first connection electrode 3a, and the third thin-film dielectric layer 2c with n = 3 is n-1) between the second connection electrode 3b and the output electrode 4b, and the (M + 1) th second thin-film dielectric layer 2b is connected to the M first connection electrode 3a and the (M + 1) th thin film dielectric layer 2b. It is arranged between a certain second connection electrode 3b.
[0065]
Further, the first impedance element 5a is arranged so as to connect the input electrode and the even-numbered connection electrodes, that is, in FIG. 3, so as to connect the input electrode 4a and the second connection electrode 3b. ing. The second impedance element 5b is arranged to connect the odd-numbered connection electrodes to each other and to the output electrode, that is, in FIG. 3, to connect the first connection electrode 3a to the output electrode 4b. .
Thus, the upper electrode group (the input electrode 4a and the second connection electrode 3b) and the lower electrode group (the first connection electrode 3a and the output electrode 4b) of the support substrate 1 are arranged in parallel, In addition, since each electrode has a substantially rectangular shape, the outer shape of both electrode groups can be made substantially rectangular. That is, since the shape can be substantially similar to the rectangular support substrate 1, the occupied area of the support substrate 1 can be effectively utilized. In addition, since the thin film dielectric layer 2 and the

impedance elements

5a and 5b can be formed along the arrangement direction of both electrode groups, the density of the support substrate 1 can be increased.
[0066]
When the above-described equivalent circuit is developed into a structure, the bias lines V1 and V2 including the impedance elements Z1 and Z2, which are complicated, can be achieved with a simple structure. That is, the input terminal side bias line V1 can be formed by the first impedance element 5a, the input electrode 4a to which the first impedance element 5a is connected, and the second connection electrode 3b, and the output side The bias line V2 can be composed of a second impedance element 5b, a first connection electrode 3a to which the second impedance element 5b is connected, and an output electrode 4b.
[0067]
As described above, the variable capacitor also has an advantage that it can be formed in the same batch on the entire surface of the support substrate 1. First, a thin film dielectric layer 2 is formed on a support substrate 1 by sputtering, and then physically or chemically etched into a predetermined shape using photolithography to form first to third thin film dielectric layers 2a. To 2c. Subsequently, an electrode layer serving as each electrode is formed by sputtering, and then physically or chemically etched into a predetermined shape using photolithography. Thus, the input electrode 4a, the first connection electrode 3a, the second connection electrode 3b, and the output electrode 4b connected to the ends of the thin film dielectric layers 2a to 2c are formed. Thereafter, a predetermined material to be the

impedance elements

5a and 5b is formed by sputtering, and is physically etched into a predetermined shape using photolithography.
[0068]
The thin film

dielectric layers

2a, 2b and 2c are high dielectric constant dielectric layers composed of perovskite oxide crystal particles containing at least Ba, Sr and Ti. This thin film dielectric layer 2 is formed on the surface of the support substrate 1 described above. For example, sputtering is performed using a dielectric from which perovskite-type oxide crystal particles are obtained as a target. For example, the film is formed at a substrate temperature of 800 ° C. for a time considering the thickness. By performing sputtering at a high temperature, a dielectric layer having a high dielectric constant, a high rate of change, and a low loss can be obtained without performing heat treatment after the sputtering.
[0069]
The input electrode 4a, the first connection electrode 3a, the second connection electrode 3b, and the output electrode 4b are preferably made of Au having a small resistivity in order to lower the resistance. In addition, Ag, Al, etc. can be used. In order to improve the adhesion to the body layer 2, a high melting point noble metal such as Pt or Pd is desirable. The thickness of the input electrode 4a, the first connection electrode 3a, the second connection electrode 3b, and the output electrode 4b is 0.1 to 10 μm. The lower limit of the thickness is set in consideration of the resistance of the electrode itself, and the upper limit of the thickness is set in consideration of the decrease in adhesion.
[0070]
The

impedance elements

5a and 5b are a first impedance element Z1 connecting the connection point A1 and the connection point A2 and a second impedance element Z2 connecting the connection point B1 and the connection point B2 in the equivalent circuit diagram of FIG. is there. In order to provide the predetermined impedance components Z1 and Z2, the material is a noble metal material such as a high resistance material such as Ni-Cr alloy, Fe-Cr-Al alloy, Au, or Pt (the impedance component is adjusted by controlling the thickness). , Ni, Fe or the like, a ferromagnetic material, an oxide conductor material, a nitride conductor material, or a semiconductor material can be used. The thickness and length are set according to the required impedance value.
[0071]
Although not shown in the figure, the input electrode 4a, the first connection electrode 3a, the second connection electrode 3b, the output electrode 4b, and the upper part of the thin film dielectric layer 2 are protected from external mechanical shock. Protection film is formed to prevent deterioration due to humidity, contamination of chemicals, oxidation and the like. The protective film may be formed by exposing a part of the input electrode 4a and the output electrode 4b, and a solder diffusion preventing layer may be formed on the exposed part to form a solder terminal or a solder electrode. Alternatively, a bump such as gold may be formed by performing first bonding of a metal wire instead of the solder terminal portion and cutting the wire at a predetermined length.
[0072]
As a structure for forming the capacitances of the first to third variable capacitance elements C1 to C3, a pair of electrodes (an input electrode 4a and a first connection electrode 3a, a first connection electrode The thin film dielectric layer 2 is disposed so as to extend between the connection electrode 3a and the second connection electrode 3b, and between the second connection electrode 3b and the output electrode 4b), and a capacitance can be formed between the pair of electrodes. Although the opposing portions of the pair of electrodes are linear in FIG. 3, the opposing portions may be engaged with each other in order to have a high capacity. That is, it may have an interdigital structure. Since the facing portion has a structure in the internal region of the entire electrode, it does not affect the external shape of the entire electrode at all, and thus can be performed while maintaining the occupied area of the support substrate 1.
[0073]
Further, the structure for forming the capacitances of the first to third variable capacitance elements C1 to C3 may be in a thickness direction from a planar arrangement. That is, the input electrode 4a and the second connection electrode 3b located on the upper side in FIG. 3 are formed on the support substrate 1 as lower electrodes of the first to third variable capacitance elements C1 to C3, Subsequently, the thin film dielectric layers 2a to 2c are formed, and thereafter, the first connection electrode 3a and the output electrode 4b are formed so as to face a part of the lower electrode via the thin film dielectric layers 2a to 2c in the thickness direction. I do. Although the number of steps for forming the electrodes is slightly increased in the manufacturing process, even with such a laminated structure, the supporting substrate 1 can be formed while maintaining the occupied area.
[0074]
In the above-described manufacturing process, the

electrodes

4a, 4b, and 3 may be formed first, then the thin film dielectric layer 2 may be formed, and then the impedance element 5 may be formed.
[0075]
The above description is an example having three variable capacitance elements C1 to C3. Independent variable voltages are applied to each of these variable capacitance elements to equalize the rate of change of the capacitance and suppress variation in the capacitance change due to the voltage of the high-frequency signal. An odd number of elements such as elements, seven elements, etc. are effective, and the arrangement of the support substrate 1 can be performed in the same manner.
[0076]
FIG. 4 is a schematic diagram of a five-element type variable capacitor in which n = 5, and FIG. 5 is an equivalent circuit diagram thereof.
In the case of having five variable capacitance elements where n = 5, five thin film dielectric layers 2 are required. Further, one input electrode 4a and one output electrode 4b are required. In addition, the connection electrode 3 requires the first to fourth connection electrodes 3a to 3d of n-1 = 4, and the impedance element 5 further includes the first to fourth impedance of n-1 = 4. Elements 5a to 5d are required.
[0077]
On the upper side of the drawing of the support substrate 1, the input electrodes 4a and the even-numbered 2nd × M, ie, the second connection electrodes 3b and the fourth connection electrodes 3d are arranged in a straight line. ing.
[0078]
On the lower side of the drawing of the support substrate 1, odd-numbered, ie, the first connection electrodes 3a, the third connection electrodes 3c, and the output electrodes 4b represented by 2 × M−1 are arranged in a straight line. I have.
[0079]
Five thin film dielectric layers 2a to 2e are arranged so as to straddle the space between them. These five thin-film dielectric layers 2a to 2e are also arranged in parallel to the above-described arrangements.
[0080]
Specifically, the first thin film dielectric layer 2a is disposed between the input electrode 4a and the first connection electrode 3a.
[0081]
Further, the fifth thin film dielectric layer 2e where n = 5 is arranged between the (n-1) th fourth connection electrode 3d and the output electrode 4b.
[0082]
The (M + 1) th (M = 1) second thin film dielectric layer 2b is disposed between the (M) th first connection electrode 3a and the (M + 1) th second connection electrode 3b. .
[0083]
Further, the (M + 1) th (M = 2) third thin film dielectric layer 2c is disposed between the (M) th second connection electrode 3b and the (M + 1) th third connection electrode 3c. .
[0084]
The (M + 1) th (M = 3) fourth thin film dielectric layer 2d is disposed between the (M) th third connection electrode 3c and the (M + 1) th fourth connection electrode 3d. .
[0085]
The first impedance element 5a and the third impedance element 5c connect the input electrode and the even-numbered connection electrodes, that is, in FIG. 4, the input electrode 4a and the second connection electrode 3b are connected to each other. And the second connection electrode 3b is connected to the fourth connection electrode 3d.
[0086]
The second impedance element 5b and the fourth impedance element 5d connect the odd-numbered connection electrodes to the output electrodes, that is, in FIG. 4, the first connection electrode 3a and the third connection electrode 3c. And the third connection electrode 3c and the output electrode 4b.
[0087]
As described above, the upper electrode group (the input electrode 4a, the second connection electrode 3b, and the fourth connection electrode 3d) and the lower electrode group (the first connection electrode 3a and the third connection electrode) of the support substrate 1 are formed. Since the electrodes 3c and the output electrodes 4b) are arranged in parallel and each electrode has a substantially rectangular shape, the outer shape of both electrode groups can be made substantially rectangular. That is, since the shape can be substantially similar to the rectangular support substrate 1, the occupied area of the support substrate 1 can be effectively utilized. In addition, since the thin-film dielectric layer 2 and the impedance elements 5a to 5d can be formed along the arrangement direction of both electrode groups, the density of the support substrate 1 can be increased.
[0088]
Considering the equivalent circuit of FIG. 5, the input-side first bias line V1 including the impedance element Z1 between the connection point A1 and the connection point A2 is connected to the input electrode 4a, the first impedance element 5a, and the The second bias line V3 on the input side including the impedance element Z3 between the connection point A3 and the connection point A4 includes the second connection electrode 3b and the third impedance element 5c. It is composed of a fourth connection electrode 3d. The output-side first bias line V2 including the impedance element Z2 between the connection point B1 and the connection point B2 is connected to the second connection electrode 3b, the second impedance element 5b, and the third connection electrode 3c. The output-side second bias line V4 including the impedance element Z4 between the connection point B3 and the connection point B4 includes the third connection electrode 3c and the output electrode 4b.
[0089]
As described above, for odd elements other than the three elements and the five elements, for example, the relationship between the number of variable capacitance elements (the number of thin film dielectric layers) and the number of each component is shown in Table 1, and arranged on the input electrode side. Table 2 shows the relationship between the connection electrodes and the impedance elements, and Table 3 shows the relationship between the connection electrodes and the impedance elements arranged on the output electrode side.
[0090]
[Table 1]

[0091]
[Table 2]

[0092]
[Table 3]

[0093]
By connecting such a variable capacitor to a resonance circuit and using it as a high-frequency resonance circuit component and as a coupling means between the resonance circuits, the frequency characteristics can be greatly changed by applying a DC bias voltage. Changes in frequency characteristics, noise and non-linear distortion can be suppressed to a small extent, waveform distortion and intermodulation distortion noise can be suppressed to a low level, and furthermore, high-frequency voltage-controlled resonators and voltage-controlled high-frequency filters with excellent power durability, High-frequency components such as voltage-controlled matching circuit elements and voltage-controlled antenna duplexers.
[0094]
【Example】
FIG. 6 shows the impedance characteristics of a variable capacitor having variable capacitance elements C1 to C3 having a capacitance of 6 pF, a series resistance of 0.1 Ω, and a series inductance of 100 pH, and having impedance elements Z1 and Z2 of 10 kΩ in the impedance element 5. Things.
At 6.5 GHz, self-resonance of the variable capacitance element and an inflection point due to the 1.2 MHz impedance element 5 are observed, and between these points, a combined capacitance of 2 pF is obtained by connecting the variable capacitance elements C1 to C3 having a capacitance of 3 pF in series. On the low frequency side from the inflection point, it can be seen that the combined resistance is 18 pF in which capacitors of 6 pF in capacitance of the variable capacitance elements C1 to C3 are connected in parallel. Thus, for a high-frequency signal between the inflection point and the self-resonant frequency, the three variable capacitance elements C1 to C3 are connected in series, so that the high-frequency voltage applied to the variable capacitance element per element is 1/3. The waveform distortion due to the capacitance change is small, and the three variable capacitance elements C1 to C3 are arranged in parallel with respect to the frequency below the inflection point including DC, so that the capacitance change can be kept large.
[0095]
On a sapphire R substrate as a supporting substrate, (Ba) as a dielectric layer _0.5 Sr _0.5 ) TiO _30.85 Were formed in the same batch using a target consisting of The film formation was performed at a substrate temperature of 800 ° C. and a film formation time of 20 minutes. Thereafter, the dielectric layer was etched by an ECR device, and after removing the resist layer, a Pt and Au electrode layer was formed thereon in the same batch as an electrode layer. After removal, a resist layer was formed and etched by the ECR device.
[0096]
After the resist layer was peeled off, as a result of measurement with an impedance analyzer, the capacitance was approximately 1.5 F, and the capacitance change rate was approximately 6% when 3 V DC was applied.
After the measurement, TaN was deposited as the impedance element 5 in the same batch, and after taking out, a resist layer was formed, and unnecessary portions were etched by an ECR device.
As a result of the measurement by the impedance analyzer again after the formation of the impedance element, the rate of change in capacitance was about 18% when DC 3 V was applied. The capacitance was 1.5 pF at high frequencies.
[0097]
That is, it was confirmed that the capacitance change rate was large, and that a variable capacitor was connected in parallel at a low frequency and connected in series at a high frequency.
[0098]
【The invention's effect】
By disposing an impedance element for applying a DC bias to a variable capacitor composed of the first to third variable capacitors connected in series, a DC bias voltage can be stably and uniformly applied to each variable capacitor. For this reason, the variable capacitor can increase the change in capacitance and suppress the change in capacitance, noise, and nonlinear distortion due to a high-frequency signal.
[0099]
At the same time, the electrodes, the thin film dielectric layers, and the impedance elements can be arranged in a rectangular shape as a whole on the support substrate, and the occupancy efficiency of the electrodes and the like occupying the support substrate 1 can be improved. For this reason, the variable capacitor is easy to handle and small in size.
[0100]
Further, by using the variable capacitor, the frequency characteristics can be largely changed by applying a DC bias voltage, but the change in frequency characteristics due to a high-frequency signal, noise and non-linear distortion can be suppressed to be small, and waveform distortion and intermodulation distortion can be suppressed. High-frequency components such as high-frequency voltage-controlled resonators, voltage-controlled high-frequency filters, voltage-controlled matching circuit elements, and voltage-controlled antenna duplexers that can suppress noise and are excellent in power durability and can be downsized. It becomes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a variable capacitor according to the present invention.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram in which the equivalent circuit of FIG. 1 is replaced with an impedance component.
FIG. 3 is a plan view of the variable capacitor of the present invention.
FIG. 4 is a plan view of another variable capacitor according to the present invention.
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of another variable capacitor according to the present invention.
FIG. 6 is an impedance characteristic diagram of the variable capacitor circuit of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Support substrate
2, 2a-2e ... thin film dielectric layer
3, 3a-3d ... connection electrode
4a: Input electrode
4b ... output electrode
5, 5a to 5d: impedance element
C1-C3 Variable capacitance element
Z1 First impedance element
Z2 Second impedance element
I, O I / O terminal

Claims

It has n thin film dielectric layers, an input electrode, n-1 connection electrodes, and an output electrode, and each of the thin film dielectric layers is sandwiched between any two of the electrodes, and is connected in series. A variable capacitor composed of n variable capacitance elements to be connected, and n-1 impedance elements for supplying a control voltage to the variable capacitance element,
The first connection electrode, the second connection electrode,..., The (n−1) th connection electrode and the first thin film dielectric layer are arranged from the side closer to the input electrode side. 2 thin film dielectric layers: When the nth thin film dielectric layer is formed,
On the support substrate,
The input electrodes and the even-numbered connection electrodes are arranged on a straight line, and the odd-numbered connection electrodes and the output electrode are arranged on a straight line parallel to the straight line,
Placing the first thin film dielectric layer between an input electrode and a first connection electrode;
The nth thin film dielectric layer is provided between the (n-1) th connection electrode and the output electrode, and the (M + 1) th thin film dielectric layer is provided between the Mth connection electrode and the (M + 1) th connection electrode. Between each other,
A variable capacitor, wherein the impedance element is arranged between the input electrode and the even-numbered connection electrodes and between the odd-numbered connection electrodes and the output electrode.
However, n = 2m + 1
m = 1, 2, 3... any integer 1 <M <n-1

The variable capacitor according to claim 1, wherein the input electrode, the output electrode, and the connection electrode are arranged in a substantially rectangular shape as a whole.

2. The variable capacitor according to claim 1, wherein the n thin film dielectric thin films are arranged on a straight line in a plan view.

The variable capacitor according to claim 1, wherein the impedance element has a resistance component.

The variable capacitor according to claim 1, wherein the impedance element has an inductance component.

6. The variable capacitor according to claim 1, wherein the input electrodes share a signal input terminal for a high-frequency signal and a DC control voltage input terminal.

6. The variable capacitor according to claim 1, wherein the output electrodes serve as reference potential terminals for a high-frequency signal and a DC control voltage, respectively.

9. The variable capacitor according to claim 1, wherein the support substrate is made of a low dielectric constant material having a dielectric constant of less than 30.

The supporting substrate, MgO, alumina, sapphire, variable capacitor according to claim 8, characterized in that it consists either of LaAlO _3.

The thin-film dielectric _{_{_{layer, (Ba x, Sr 1-}}} x) variable capacitor according to claim 1, characterized in that it consists of _{_{y Ti 1-y O 3-}} z.

The variable capacitor according to claim 1, wherein the input electrode, the connection electrode, and the output electrode are made of any one of Au, Pt, Al, and Cu.

The variable capacitor according to claim 4, wherein the impedance element is formed of a high-resistance alloy thin film containing a Ni-Cr alloy or a Fe-Cr-Al alloy.

The variable capacitor according to claim 4, wherein the impedance element is a resistance element made of an oxide conductor material, a nitride conductor material, or a semiconductor material.

6. The variable capacitor according to claim 5, wherein the impedance element is an inductor element having a noble metal thin film made of any one of Au, Pt, and Ti.

6. The variable capacitor according to claim 5, wherein the impedance element is an inductive element having a ferromagnetic thin film of Ni, Fe, or the like.

16. The variable capacitor according to claim 12, wherein the impedance element has a linear shape, a loop shape, a meander shape, or a spiral shape.

A high-frequency component comprising a resonance circuit element connected to the variable capacitor according to claim 1.