JP2004259993A - 可変容量コンデンサ及びそれを用いた高周波部品 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高周波信号による容量変化が小さくかつ、直流バイアスによる容量変化は大きい小形な可変容量薄膜コンデンサを提供し、さらに、この可変容量薄膜コンデンサ素子を利用した高周波部品を提供する。
【解決手段】入力端子Ｉと出力端子Ｏとの間に、印加電圧によって容量が変化する第１乃至第３の可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３を順次直列接続して成る可変容量コンデンサにおいて、入力電極４ａと出力電極４ｂとの間に、入出力電極４ａ、４ｂの配列方向と直交する方向に第１の接続電極３ａ、第２の接続電極３ｂを配置した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直流電圧の印加により容量を変化することができ、高周波入力電力に対しても低歪み、または高耐電力を実現出来るコンデンサに関するものである。また、接続電極、入出力電極、誘電体、インピーダンス素子を薄膜技法により形成した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、上下電極及び誘電体層が薄膜で形成された薄膜コンデンサがある。これは通常、電気絶縁性の支持基板上に薄膜状の下部電極、誘電体層、上部電極が順に積層されている。このような薄膜コンデンサでは下部電極、上部電極が各々スパッタ法、蒸着法、イオンプレ−ティング法などで形成されており、誘電体層もスパッタ、ゾルゲル法などで形成されている。このような薄膜コンデンサの製造では、以下のようにフォトリソグラフィが用いられる。まず、絶縁性支持基板上の全面に下部電極となる導体層を形成した後、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、所定形状の下部誘電体層を形成する。つぎに、支持基板上に薄膜誘電体層を全面に形成し、下部電極と同様に、不要部を除去し所定形状の誘電体層を形成する。最後に上部電極を全面に形成し、同様に、不要部を除去し所定形状の上部電極を形成する。この後、保護膜層やハンダ端子部を形成することにより、表面実装が可能になる。また、誘電体層の材料として（Ｂａｘ，Ｓｒ１−ｘ）ｙＴｉ１−ｙＯ３ｚ誘電材料を用いて、上部電極と下部電極との間に所定電位を与えて、誘電体層の誘電率を変化させて、容量を変化させる薄膜コンデンサも同様な構造である。直流バイアスの印加により容量を変化させる可変容量薄膜コンデンサとしては、例えば特許文献（特開平１１−２６０６６７号）に開示されている。
【０００３】
薄膜コンデンサでは直流バイアスを印加することで誘電率が変化し、その結果として容量が変化する。容量の変化は高周波領域にも及び、高周波でも可変容量薄膜コンデンサとして利用可能となる。この様な高周波での可変容量薄膜コンデンサの容量変化を利用して、直流バイアスの印加により周波数特性を変化できる電子部品が得られる。例えば、上述の可変容量薄膜コンデンサと薄膜インダクタを組み合わせて、ＬＣ共振回路の一部に用いた電圧制御型薄膜共振器では、直流バイアスの印加により共振周波数を変化させることができる。また、複数のＬＣ共振回路を結合するための結合素子として可変容量薄膜コンデンサを用いた電圧制御型薄膜帯域通過フィルタでは、直流バイアスの印加により通過帯域を変化させることができる。このような高周波部品に関しては例えば特許文献２（特表平８−５０９１０３号）に開示されている。
【０００４】
［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
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の様な可変容量薄膜コンデンサを高周波用電子部品で用いる場合、可変容量薄膜コンデンサには可変容量用の直流バイアス電圧と高周波信号の電圧（高周波電圧）が同時に印加されることになる。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薄膜コンデンサの容量が変化するようになる。この様な可変容量薄膜コンデンサを高周波用電子部品に用いると、高周波電圧によるコンデンサの容量変化のため波形歪、相互変調歪みノイズが生じる様になる。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り、その為には誘電体層の厚みを厚くすることが有効であるが、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問題があった。
【０００６】
また、高周波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で使用中にはコンデンサの損失抵抗によりコンデンサが発熱し破壊してしまう。この様な耐電力の問題に対しても誘電体の厚みを厚くし、単位体積当たりの発熱量を小さくすることが有効であるが、前述のように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直流バイアスによる容量変化率も下がってしまう問題があった。
【０００７】
また、上述の従来技術では２層、３層と多数積層するため、複数の作業工程があり大量生産しにくく、集積化、コスト、信頼性に問題があった。
【０００８】
本発明は上述の問題に鑑みて案出されたものであり、その目的は高周波信号による容量変化が小さく、かつ直流バイアスによる容量変化は大きいようなコンデンサかつ集積化または小型化、低コスト、高信頼性を実現する可変容量コンデンサを提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は上述の薄膜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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、支持基板上に、一方電極と他方電極とで薄膜誘電体層を挟持してなる第１乃至第３の可変容量素子を互いに直列接続するとともに、前記第１の可変容量素子と前記第２の可変容量素子とを第１のインピーダンス素子で、前記第２の可変容量素子と前記第３の可変容量素子とを第２のインピーダンス素子で接続して成る可変容量コンデンサであって、
前記支持基板上に、第１の可変容量素子の一方電極を構成する入力電極と、第３の可変容量素子の他方電極を構成する出力電極と、該入出力電極間に該入力電極の配列方向と直交するように、前記第１の可変容量素子の他方電極及び前記第２の可変容量素子の一方電極を構成する第１の接続電極と、前記第２の可変容量素子の他方電極及び前記第３の可変容量素子の一方電極を構成する第２の接続電極とを夫々配置するとともに、
前記入力電極と前記第１の接続電極との間に前記第１の可変容量素子を構成する誘電体層を、前記第１の接続電極と前記第２の接続電極との間に前記第２の可変容量素子を構成する誘電体層を、前記第２の接続電極と前記出力電極との間に前記第３の可変容量素子を構成する誘電体層を夫々配置し、
且つ前記入力電極と前記第２の接続電極との間に第１のインピーダンス素子を、前記第１の接続電極と前記出力電極との間に第２のインピーダンス素子を夫々配置した可変容量コンデンサである。
【００１１】
前記入力電極と前記出力電極とは、前記支持基板の中心に対して、概略対称に配置されている。
【００１２】
前記第１乃至第３の可変容量素子を構成する誘電体層は、一方電極が下部電極となり、他方電極が上部電極となって、その電極間に配置されている。
【００１３】
前記インピーダンス素子は、抵抗成分を有している。
【００１４】
前記インピーダンス素子は、インダクタンス成分を有している。
【００１５】
接続電極は、高周波信号の信号入力端子と直流電圧の供給端子とが共用されている。
【００１６】
前記支持基板は、ほぼ平らな表面を持ち、約３０未満の誘電率を有する。
【００１７】
前記基板は、ＭｇＯ、アルミナ、サファイア、ＬａＡｌＯ３のいずれかである。
【００１８】
前記誘電体は、（Ｂａ_ｘ，Ｓｒ_１−ｘ）_ｙＴｉ_１−ｙＯ_３ｚからなる。
【００１９】
前記接続電極かつ入出力電極は、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｃｕなどの金属からなる。
【００２０】
前記インピーダンス素子は、Ｎｉ−Ｃｒ合金あるいはＦｅ−Ｃｒ−Ａｒ合金などの高抵抗合金薄膜からなる。
【００２１】
前記インピーダンス素子は、Ａｕ，Ｐｔ，Ｔｉなどの貴金属薄膜からなる。
【００２２】
前記インピーダンス素子は、Ｎｉ，Ｆｅなどの強磁性体薄膜からなる。
【００２３】
前記インピーダンス素子は、酸化物導電体材料、窒化物導電体材料又は半導体材料からなる。
【００２４】
前記インピーダンス素子は、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。
【００２５】
また、このような可変容量コンデンサをＬＣ共振回路の一部として、また、ＬＣ共振回路を接合する素子として用いた高周波部品である。
【００２６】
【作用】
本発明の可変容量コンデンサは、支持基板上に、第１の可変容量素子の一方電極を構成する入力電極と、第３の可変容量素子の他方電極を構成する出力電極と、該入出力電極間と直交に、前記第１の可変容量素子の他方電極及び前記第２の可変容量素子の一方電極を構成する第１の接続電極と、前記第２の可変容量素子の他方電極及び前記第３の可変容量素子の一方電極を構成する第２の接続電極とを夫々独立して配置するとともに、
前記入力電極と前記第１の接続電極との横方向間に前記第１の可変容量素子を構成する誘電体層を、前記第１の接続電極と前記第２の接続電極との縦方向間に前記第２の可変容量素子を構成する誘電体層を、前記第２の接続電極と前記出力電極との横方向間に前記第３の可変容量素子を構成する誘電体層を夫々配置し、且つ前記入力電極と前記第２の接続電極との横方向間に第１のインピーダンス素子を、前記第１の接続電極と前記出力電極との間に第２のインピーダンス素子を夫々配置したことを特徴とする可変容量コンデンサである。このような電極の配列により、浮遊容量値は小さくなる。また、直列に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ため個々の容量素子に印加される電圧は減少する。その結果、高周波信号による容量の変化を小さく抑えることができる。また、インピーダンス素子を設けることにより、直流バイアスは個々の誘電体に独立に印加することができるため、直流バイアスによる容量の変化は大きく保つことができる。また、入出力電極の面積が広いため、半田の面積が大きく出来るので実装が容易になる。
【００２７】
また、入力電極と出力電極とが、支持基板の中心に対して、概略対称に配置されていることを特徴とする可変容量コンデンサである。このことより、特に規則正しく配列させることができ、小型化にも寄与できる。
【００２８】
第１乃至第３の可変容量素子を構成する誘電体層が、一方電極が下部電極となり、他方電極が上部電極となって、その電極間に配置されていることを特徴とする可変容量コンデンサである。このことより、誘電体層の対向面積を任意に変えられ、また、安定したバアイアス電圧を印加することができ、大容量の可変容量コンデンサとすることができる。
【００２９】
また、インピーダンス素子が少なくとも抵抗成分あるいは／およびインダクタンス成分からなることを特徴とする可変容量コンデンサであることにより、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、また、直流電流は可変容量素子を流れないため、高周波的には直列に接続される可変容量素子で、直流的には並列接続される可変容量素子と見ることができる。
【００３０】
また、可変容量コンデンサを構成する各可変容量素子同士の接続がインピーダンス素子により交互に印加電圧の供給するため、接続された全ての可変容量素子に印加電圧が安定して供給できるため、個々の可変容量素子の容量変化率を最大限に利用できる。
【００３１】
可変容量コンデンサを用いた高周波の入力端子と直流電圧の供給端子を共通化しているため、別途端子を設けること無く、通常のコンデンサとしての取扱うことができる。
【００３２】
支持基板は、ほぼ平らな表面を持ち約３０未満の誘電率を用いることにより、密着性が良く、誘電体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。
【００３３】
支持基板は、ＭｇＯ、アルミナ、サファイア、ＬａＡｌＯ_３を用いることにより、高温プロセスが可能となる。
【００３４】
また、電極かつ入出力電極は、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｌなどの金属を用いることにより、低抵抗が実現でき、高Ｑ化が可能となる。
【００３５】
また、可変容量コンデンサにおいて、各可変容量素子が支持基板上に誘電体層、電極を順次被着してなり、プロセスの簡単化また省略化が出来ることにより、低コスト、高信頼性等が実現できる。
【００３６】
また、前記誘電体が（Ｂａ_ｘ，Ｓｒ_１−ｘ）_ｙＴｉ_１−ｙＯ_３ｚからなり、コンデンサ素子の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できる。
【００３７】
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−Ａｒ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できる。
【００３８】
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（インピーダンス素子）が得られる。
【００３９】
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）^１／２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は導電率である。）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。
【００４０】
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。
【００４１】
また、前記インピーダンス素子が直線状、ループ状、メアンダ状あるいはスパイラル状であることを特徴とする可変容量薄膜コンデンサ素子である。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。
【００４２】
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である。
【００４３】
【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。
【００４４】
図１を用いて互いに直列接続された可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３を具備する可変容量コンデンサを説明する。尚、図１は、各膜の構造が明確にわかるように透視状態の平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ‘の透視断面図を示している。
【００４５】
図１及び図２において１は支持基板であり、２は誘電体層（第１の誘電体を２ａ、第２の誘電体を２ｂ、第３の誘電体を２ｃで示す）であり、３は電極（第１の接続電極を３ａ、第２の接続電極を３ｂで示す）であり、４は入出力電極（入力電極を４ａ、出力電極第を４ｂで示す）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で示す）であり、６は端子部（入力端子Ｉ側を６ａ、出力端子Ｏ側を６ｂと付す）である。そして、図中Ｃ１〜Ｃ３は、直流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。
【００４６】
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、誘電体層２が形成されて、電極３かつ入出力電極４は支持基板１上の全面に同一バッチで形成されている。まず、誘電体層２のスパッタをし、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、所定形状の誘電体層２ａ〜２ｃを形成し、その後、電極３かつ入出力電極４のスパッタ終了後に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、所定形状の接続電極３ａ〜３ｂ、入出力電極され、その後にインピーダンス素子５ａ、５ｂをスパッタ終了後に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される。
【００４７】
第１乃至第３の誘電体層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材料である。この誘電体層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２ａ〜２ｃが得られる。
【００４８】
また、第１、第２接続電極３ａ、３ｂ及び入出力電極４ａ、４ｂの材料としては電極の抵抗を下げるため、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、誘電体層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。また、その厚みは、０．１〜１０μｍとなっている。厚みの下限については、各電極３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ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。
【００４９】
インピーダンス素子５ａ、５ｂは、図３の回路図中、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Ｖ１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Ｖ２とからなる。図１では、インピーダンス素子５ｂは、前記第１の接続電極３ａと出力電極４ｂとの間にそれぞれ接続されている。
【００５０】
等価回路で所定インピーダンス成分Ｚ１，Ｚ２を具備させるため、インピーダンス素子５ａ、５ｂの材料には、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）、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。インピーダンス素子５ａ、５ｂは、例えば図１および図２に示した様に第１の接続電極３ａ、第２の接続電極３ｂ及び入出力電極４ａ、４ｂ上に配置される。
【００５１】
絶縁層７は、外部からの機械的な衝撃からの保護の他、温度湿度による劣化、薬品の汚染、酸化等を防止する役割を持っている。また、入出力電極４ａ、４ｂ上には形成した端子部６ａ、６ｂは、半田ペーストを印刷後、リフローを行なうことにより形成される。また、端子部６ａ、６ｂは、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。
【００５２】
以上のように、上述の可変容量コンデンサにおいて、第１乃至第３の可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３が高周波的には直列接続されて、しかも各可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３は、インピーダンス成分Ｚ１，Ｚ２を有する第１及び第２のインピーダンス素子５ａ、５ｂで接続され、しかも、入出力端子Ｉ、Ｏ（入出力電極４ａ、４ｂ）が共用されている。また、接続電極３ａ、３ｂ及び入出力電極４ａ、４ｂと誘電体層２ａ、２ｂ、２ｃとが上下逆に配置されていても構わない。
【００５３】
図３は本発明の３素子の可変容量コンデンサ素子を直列接続した場合の等価回路を示すものである。図３は３つの可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３（第１の可変容量素子Ｃ１、第２の可変容量素子Ｃ２、第３の可変容量素子Ｃ３）を回路接続したものであり、さらに、インピーダンス素子５ａ、５ｂによりインピーダンス成分またはインダクタンス成分をＺ１，Ｚ２（図３では、インピーダンス成分を示す）を有する。
【００５４】
図３ではＲＦ信号およびＤＣバイアスは、それぞれ共通端子であり、入力端子Ｉ、Ｏとなっている。
【００５５】
そして、第１の可変容量素子Ｃ１の入力端子側端部Ａ１と第２の可変容量素子Ｃ２と第３の可変容量素子Ｃ３との接続点Ａ２との間は、バイアスラインＶ１となり、第２インピーダンス成分Ｚ１を有している。また、前記第１の可変容量素子Ｃ１と第２の可変容量素子Ｃ２の接続点Ｂ１と第３の可変容量素子Ｃ３の外部出力端子側端部Ｂ２との間は、バイアスラインＶ２となり、第２のインピーダンス成分Ｚ２を有している。
【００５６】
ここで、インピーダンス成分Ｚ１，Ｚ２は、ＲＦ信号の周波数領域でインピーダンスよりも大きなインピーダンス成分となっており、ＲＦ信号は直列に接続した可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３を通ることになる。また、ＤＣバイアスは各可変容量素子Ｃ１〜３に別々に印加されることになる。第１及び第２のバイアスラインＶ１、Ｖ２のインピーダンス成分Ｚ１，Ｚ２が小さすぎると、ＲＦ信号もバイアスラインＶ１、Ｖ２を流れることになり、ＲＦ信号による容量変化が大きくなり、Ｑが低下する。また、インピーダンス成分Ｚ１，Ｚ２が大きすぎると時定数が大きくなり、ＤＣバイアス印加後、容量変化が一定になるまでに時間がかかるようになる。
【００５７】
このため、可変容量コンデンサ回路の使用条件に応じてインピーダンス値を決める必要がある。
【００５８】
図３に示す回路図において、入力端子Ｉから供給されたバイアス電流は、第１の可変容量素子Ｃ１にそのまま供給されて、接続点Ｂ１からバイアスラインＶ２を介して出力端子Ｏに流れる。また、入力端子Ｉから供給されたバイアス電流は、バイアスラインＶ１を流れ、接続点Ａ２に供給され、接続点Ａ２から第３の可変容量素子Ｃ３に供給され出力端子Ｏに流れるとともに、接続点Ａ２から第２の可変容量素子Ｃ２に供給され、接続点Ｂ１からバイアスラインＶ２に流れ、接続点Ｂ２を介して出力端子Ｏに流れることになる。
【００５９】
ここで、インピーダンス成分Ｚ１，Ｚ２の設定においては、図４に示すように、直流に対する等価回路（可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３を絶縁抵抗Ｒｐ１、Ｒｐ２、Ｒｐ３に置換）で説明する。
【００６０】
インピーダンス成分Ｚ１，Ｚ２の上限値は、直列接続した各可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３にかかる電圧が抵抗で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４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／（Ｚ２＋Ｒｐ１） ＞ Ｒｐ１／（Ｒｐ１＋Ｒｐ２＋Ｒｐ３）が必要となり、Ｚ２ ＜ Ｒｐ２＋Ｒｐ３となるようにする。
【００６１】
同様に、可変容量素子Ｃ２について考えると
Ｒｐ２／（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｒｐ２） ＞ Ｒｐ２／（Ｒｐ１＋Ｒｐ２＋Ｒｐ３）が必要となり、Ｚ１＋Ｚ２ ＜ Ｒｐ１＋Ｒｐ３となるようにする。
【００６２】
同様に、可変容量素子Ｃ３について考えると
Ｒｐ３／（Ｚ１＋Ｒｐ３） ＞ Ｒｐ３／（Ｒｐ１＋Ｒｐ２＋Ｒｐ３）が必要となり、Ｚ１ ＜ Ｒｐ２＋Ｒｐ３となるようにする。
【００６３】
ここでＺ１＝Ｚ２＝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にかかるバイアス電圧が１／１０になる抵抗値を限界とすると、Ｒ ＜ １００ＭΩとなる。
【００６４】
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＜１０ｅ−６／８＊２ｅ１０−１２ ＝ 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。
【００６５】
また、インピ−ダンス成分Ｚ１，Ｚ２の下限については、使用ＲＦ信号の周波数で直列の可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３であるためには、インピーダンス成分Ｚ１より可変容量素子Ｃ１、Ｃ２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、インピーダンス成分Ｚ２より可変容量素子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。
【００６６】
即ち、Ｚ１ ＞ （Ｃ１＋Ｃ２）／（ω＊Ｃ１＊Ｃ２）
Ｚ２ ＞ （Ｃ２＋Ｃ３）／（ω＊Ｃ２＊Ｃ３）
ここでＺ１＝Ｚ２＝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。
【００６７】
以上より、第１のインピーダンス素子Ｖ１、第２のインピーダンス素子Ｖ２のインピーダンス成分Ｚ１，Ｚ２は数１００Ωから１００ＭΩ程度の範囲であればよいことになる。
【００６８】
【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５に示したものである。
【００６９】
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できる。
【００７０】
支持基板としてサファイアＲ基板上に、誘電体層２として（Ｂａ_０．５Ｓｒ_０．５）ＴｉＯ_３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、レジスト層を剥離して所定形状の誘電体層２ａ〜２ｃを形成した後、その上に入出力電極４ａ、４ｂ、第１及び第２の接続電極３ａ、３ｂとなる電極層としてＰｔおよびＡｕ電極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。
【００７１】
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、各可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３の容量は高周波で約１．５ｐＦであり、容量変化率はＤＣ３Ｖ印加時で約６％であった。
【００７２】
測定後、第１及び第２のインピーダンス素子５ａ、５ｂ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て形成した。
【００７３】
インピーダンス素子５ａ、５ｂを形成後に、再度インピーダンスアナライザで可変容量素子Ｃ１〜Ｃ３を測定した結果、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。
【００７４】
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コンデンサができることを確認した。
【００７５】
また、前記可変容量コンデンサをＬＣ共振回路に含む高周波部品、例えば、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入出力端子側バイアスラインもといることにより、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部品とすることができる。
【００７６】
【発明の効果】
支持基板上に、第１の可変容量素子の一方電極を構成する入力電極と、第３の可変容量素子の他方電極を構成する出力電極と、該入出力電極間に該入力電極の配列方向と直交するように、第１の可変容量素子の他方電極及び第２の可変容量素子の一方電極を構成する第１の接続電極と、第２の可変容量素子の他方電極及び第３の可変容量素子の一方電極を構成する第２の接続電極とを夫々配置するとともに、入力電極と第１の接続電極との間に第１の可変容量素子を構成する誘電体層を、第１の接続電極と第２の接続電極との間に第２の可変容量素子を構成する誘電体層を、第２の接続電極と出力電極との間に第３の可変容量素子を構成する誘電体層を夫々配置し、且つ入力電極と第２の接続電極との間に第１のインピーダンス素子を、第１の接続電極と出力電極との間に第２のインピーダンス素子を夫々配置している。これにより、第１の接続電極、第２の接続電極、入出電極を合わせた形状が概略矩形状とすることができ、支持基板における電極層の配置位置を効率的に配置することができ、支持基板の小型化、即ち、可変容量コンデンサの小型化に大きく寄与できる。
【００７７】
直列に接続した第１乃至第３の可変容量素子に直流バイアス印加用の第１のインピーダンス素子及び第２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。同時に、これを支持基板上に形成して取り扱いに容易で、容量を大きく変化できるが、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することができる。さらに、耐電力に優れた可変容量コンデンサとすることができる。
また、このような可変容量コンデンサを、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に用いることにより、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小型化な高周波部品が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の可変容量素子の概略平面図である。
【図２】本発明の図１のＡ―Ａ’で可変容量素子の概略断面図である。
【図３】本発明の可変容量コンデンサの等価回路図である。
【図４】図３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５】本発明の可変容量コンデンサのインピーダンス特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１・・・支持基板
２・・・誘電体層
２ａ〜２ｃ・・第１乃至第３の誘電体層
３・・・接続電極
３ａ、３ｂ・・第１及び第２の接続電極
４・・・入出力電極
４ａ・・入力電極
４ｂ・・出力電極
５・・・インピーダンス素子
５ａ、５ｂ・・第１及び第２のインピーダンス素子
４７・・・ 絶縁層
６ａ、６ｂ・・端子部
Ｃ１〜Ｃ３ 可変容量素子
Ｖ１ 第１のバイアスライン
Ｖ２ 第２のパイアスライン
Ｚ１，Ｚ２ インピーダンス成分
Ｉ、Ｏ 入出力端子

Claims (16)

1. 支持基板上に、一方電極と他方電極とで薄膜誘電体層を挟持してなる第１乃至第３の可変容量素子を互いに直列接続するとともに、前記第１の可変容量素子と前記第２の可変容量素子とを第１のインピーダンス素子で、前記第２の可変容量素子と前記第３の可変容量素子とを第２のインピーダンス素子で接続して成る可変容量コンデンサであって、
   前記支持基板上に、第１の可変容量素子の一方電極を構成する入力電極と、第３の可変容量素子の他方電極を構成する出力電極と、該入出力電極間に該入力電極の配列方向と直交するように、前記第１の可変容量素子の他方電極及び前記第２の可変容量素子の一方電極を構成する第１の接続電極と、前記第２の可変容量素子の他方電極及び前記第３の可変容量素子の一方電極を構成する第２の接続電極とを夫々配置するとともに、
   前記入力電極と前記第１の接続電極との間に前記第１の可変容量素子を構成する誘電体層を、前記第１の接続電極と前記第２の接続電極との間に前記第２の可変容量素子を構成する誘電体層を、前記第２の接続電極と前記出力電極との間に前記第３の可変容量素子を構成する誘電体層を夫々配置し、
   且つ前記入力電極と前記第２の接続電極との間に第１のインピーダンス素子を、前記第１の接続電極と前記出力電極との間に第２のインピーダンス素子を夫々配置したことを特徴とする可変容量コンデンサ。
2. 前記入力電極と前記出力電極とは、前記支持基板の中心に対して、概略対称に配置されていることを特徴とする請求項１記載の可変容量コンデンサ。
3. 前記第１乃至第３の可変容量素子を構成する誘電体層は，一方電極が下部電極となり、他方電極が上部電極となって、その電極間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の可変容量コンデンサ。
4. 前記インピーダンス素子は、抵抗成分を有することを特徴とする請求項１記載の可変容量コンデンサ。
5. 前記インピーダンス素子は、インダクタンス成分を有することを特徴とする請求項１記載の可変容量コンデンサ。
6. 接続電極は、高周波信号の信号入力端子と直流電圧の供給端子とが共用されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の可変容量コンデンサ。
7. 前記支持基板は、ほぼ平らな表面を持ち、約３０未満の誘電率を有するよりなる請求項１乃至５のいずれかに記載の可変容量コンデンサ。
8. 前記基板は、ＭｇＯ、アルミナ、サファイア、ＬａＡｌＯ３のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の可変容量コンデンサ。
9. 前記誘電体は、（Ｂａ_ｘ，Ｓｒ_１−ｘ）_ｙＴｉ_１−ｙＯ_３ｚからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の可変容量コンデンサ。
10. 前記接続電極かつ入出力電極は、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｃｕなどの金属からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の可変容量コンデンサ。
11. 前記インピーダンス素子は、Ｎｉ−Ｃｒ合金あるいはＦｅ−Ｃｒ−Ａｒ合金などの高抵抗合金薄膜からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の可変容量コンデンサ。
12. 前記インピーダンス素子は、Ａｕ，Ｐｔ，Ｔｉなどの貴金属薄膜からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の可変容量コンデンサ。
13. 前記インピーダンス素子は、Ｎｉ，Ｆｅなどの強磁性体薄膜からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の可変容量コンデンサ。
14. 前記インピーダンス素子は、酸化物導電体材料、窒化物導電体材料又は半導体材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の可変容量コンデンサ。
15. 前記インピーダンス素子は、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ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の可変容量コンデンサ。
16. 請求項１記載の可変容量コンデンサを、ＬＣ共振回路とともに用いたことを特徴とする高周波部品。

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