JP6166675B2 - 可変容量コンデンサおよび可変容量コンデンサの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、可変容量コンデンサおよび可変容量コンデンサの制御方法に関し、より詳細には、高い誘電率を有するＫＴＮ結晶（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃）又はＫＬＴＮ結晶（Ｋ_1-yＬ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃）を用いた可変容量コンデンサおよび可変容量コンデンサの制御方法に関する。

抵抗素子は直流領域を含めた伝達ゲインや電圧、電流を決定付ける性質をもつのに対して、コイルやコンデンサなどのリアクタンス素子は、ある特定の周波数における回路の特性を決定付ける性質を有する。したがって、可変抵抗素子と同じように、電気回路においてコンデンサの静電容量を任意に可変させたい場合がある。静電容量を任意に可変できる可変容量コンデンサ、特に印加電圧に応じて、静電容量が変化する可変容量コンデンサは、回路動作の周波数領域における挙動を変化させるための重要な素子である。そのため、可変容量コンデンサは、静電容量Ｃの変化によるＬＣ共振器の共振周波数の変化を利用した発振周波数を制御可能な電圧制御発振器などの発振器、ＬＣフィルタおよびアンテナ等、さらには、マイクロ波・ミリ波帯で使用される移相器としての応用が盛んに検討されている。特に、近年では、２ＧＨｚ携帯電話機、移動体通信機器に搭載される無線システムが急増し、複数の周波数帯域または帯域幅の広い周波数帯域における高感度送受信の要求が高まってきている。したがって、周波数帯域を可変にするためのチューナブルバンドパスフィルタおよびチューナブルアンテナの開発が進められ、その中でも可変容量コンデンサは極めて重要な素子の一つである。

アンテナ素子が接続されている複合デバイス全体のインダクタンス値や容量値を調整することは、アンテナ素子のアンテナ特性を制御する。この結果、複合デバイスとアンテナ素子により構成されるアンテナ装置は、複数の周波数帯域または帯域幅の広い周波数帯域における高感度送受信を実現することができる。そこで複数の周波数帯域または帯域幅の広い周波数帯域における高感度送受信を実現することができる小型のアンテナ装置を提供するために、容量変化率が大きくかつ損失の小さい小型の可変容量コンデンサが求められている。また、アンテナ装置以外に、高周波フィルタなどにおいても広帯域化をはかるためにも、このような可変容量コンデンサの実現が望まれている。

ここで、従来の可変容量コンデンサは、１）可変容量ダイオード方式、２）ＲＦ−ＭＥＭＳ可変容量方式、３）電圧制御型の強誘電体層を用いた可変容量コンデンサ方式が知られている。このうち、１）の可変容量ダイオード方式の可変容量コンデンサとしては、誘電体の材料としてＧａＡｓを使用したものを高周波で使用するものであるが、誘電損失および価格が高いという問題があった。また、２）電圧制御型ＲＦ−ＭＥＭＳ可変容量コンデンサについては、誘電損失が低いが、機械的稼動を有しているため、高信頼性を確保するためには、ハーメチックシール化することが必須であり他素子との集積化が困難であって、加えて制御電圧が数十Ｖと高いので高集積・小型化が困難であるという問題があった。このため、最近では、３）直流（ＤＣ）バイアス電圧印加により、強誘電体、特に（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）などからなる強誘電体のソフトモード、つまり相転移温度に向かって振動数が低下することにより誘電率が下がり、自発分極が発生した状態から、電界を印加して誘電率を上げるハード化により誘電率を制御するという、電圧制御型の強誘電体を用いた可変容量コンデンサなどが知られている。この方式は、近年低コストで高性能を有する方式として特に注目を集めている。

特開２００８−２５８１８６

A.Gunmennik.et al.: "Electro-optic effects in glass forming liquids of dipolar nano-clusters embedded in a paraelectric environment", Optical Materials Express, Vol. 1, No. 3, pp. 334-345, 2011

従来のＢＳＴを用いた可変容量コンデンサでは、０．５ＭＶ／ｃｍの電界印加時の０Ｖ電界印加時に対する容量変化は、１．４〜３倍にとどまっていた。また、特許文献１に記載されているように、素子構造を工夫してキャパシタを直列接続することで、２．７倍以上の容量変化率を得られることが知られていた。しかし、従来のＢＳＴを用いた可変容量コンデンサでは容量の変化は３倍以下に留まっており、より大きな容量変化が得られる可変容量コンデンサが望まれていた。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、相転移温度近傍において誘電率の高い相と低い相が存在する状態を有する誘電体材料であって、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶（ＫＴａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１））、またはリチウムを添加したＫ _1-y Ｌｉ _y Ｔａ _1-x ＮｂxＯ ₃ （０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶である、誘電体材料と、前記誘電体材料の対向する面に形成された電極対と、前記誘電体材料の温度を調整する温調器とを備え、前記温調器は、前記誘電体材料を前記誘電体材料の相転移温度以上に保ち、前記電極対により前記誘電体材料に印加する電界の強度を変化させ、誘電率の高い相と低い相との比率を変化させることにより静電容量を変化させることを特徴する。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様の可変容量コンデンサであって、前記相転移温度以上の温度は、前記相転移温度から３℃以内であることを特徴とする特徴する。

また、本発明の第３の態様は、印加電圧に応じて、静電容量が変化する可変容量コンデンサの静電容量を制御する方法であって、前記可変容量コンデンサは、相転移温度近傍において誘電率の高い相と低い相が存在する状態を有する誘電体材料であって、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶（ＫＴａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１））、またはリチウムを添加したＫ _1-y Ｌｉ _y Ｔａ _1-x ＮｂxＯ ₃ （０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶である、誘電体材料を有し、前記方法は、前記誘電体材料の温度を、前記誘電体材料の相転移温度以上に保つステップと、前記誘電体材料の誘電率が最大となるような電圧を、前記誘電体材料に印加するステップと、前記印加された電圧の電圧値から、電圧値をさらに上昇させ、印加された電界の強度を変化させて、誘電率の高い相と低い相との比率を変化させることにより静電容量を変化させるステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第３の態様の方法であって、前記相転移温度以上の温度は、前記相転移温度から３℃以内であることを特徴とする。

本発明は、高い誘電率を有する誘電体材料であって温度の相転移近傍において誘電率の高い相と低い相とが存在する状態において、結晶温度を相転移温度（キュリー温度：Ｔｃ）以上にして電界を印加して、誘電率の高い相の誘電率を増大させ、続いて電界を増加させて誘電率の低い相の比率を増加させることにより急激に静電容量を変化させて、大きな可変容量変化を実現することができる。

本発明の第１の実施形態にかかる可変容量コンデンサの構成を示す図である。 図１に記載の強誘電体材料に電界を印加した時の比誘電率の変化を示す図表である。 本発明の第２の実施形態にかかる可変容量コンデンサの基本単位の構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態にかかる可変容量コンデンサの全体の構成を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

［第１の実施形態］
［可変容量コンデンサの構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る可変容量コンデンサの構成を示す斜視図である。図１に記載の可変容量コンデンサ１００は、強誘電体材料１０１と、強誘電体材料１０１の第１の面に形成された上部電極１０２と、強誘電体材料１０１の第１の面と反対側の第２の面に形成された下部電極１０３と、下部電極１０３の誘電体材料１０１が取り付けられる面と反対側の面に取り付けられた温調器１０５と、上部電極１０２および下部電極１０３に電圧を印加する電源１０５とを備える。

図１の可変容量コンデンサ１００の強誘電体材料１０１は、高い誘電率を有し、相転移温度（キュリー温度：Ｔｃ）近傍において誘電率の高い相と低い相とが存在する状態を有する材料を使用する。このような強誘電体結晶として、ペロブスカイト構造を有するタンタル酸ニオブ酸カリウム結晶（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１）：以下「ＫＴＮ結晶」とする。）、またはリチウムを添加したＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂxＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）（以下「ＫＬＴＮ結晶」とする。）が好ましく用いられる。

本実施形態は、温調器１０４により、誘電体材料１０１の結晶温度を、誘電体材料１０１の相転移温度Ｔｃ以上に保ち、上部電極１０２及び下部電極１０３により、誘電体材料１０１の誘電率が最大となるような電圧を、誘電体材料１０１に印加して誘電率の高い相の誘電率を増大させる。その後、前記印加された電圧の電圧値から、電圧値をさらに上昇させ、印加された電界の強度を変化させて、誘電率の高い相と低い相との比率を変化させることにより静電容量（比誘電率）を変化させて、大きな可変容量変化を実現する。

［ＫＴＮ結晶またはＫＬＴＮ結晶］
ＫＴＮ結晶（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））又はＫＬＴＮ結晶（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂxＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））とは、カリウム、タンタル、ニオブと酸素からなる透明な光学結晶であり、１９５０年代に初めて合成された。ＫＴＮ結晶又はＫＬＴＮ結晶は、温度による逐次相転移を示すが、特に立方晶という結晶構造においては、光学的異方性がない、熱や水に対して安定である、という特徴を有する。誘電体材料の電気光学効果には、加えた電界に屈折率変化が比例する１次の電気光学効果（Pockels effect：ポッケルス効果）と、加えた電界の二乗に屈折率変化が比例する２次の電気光学効果（Kerr effect：カー効果）とがあるが、ＫＴＮ結晶は２次の電気光学効果が極めて大きい材料であることが知られていた。これは、正方晶から立方晶への相転移に伴って、誘電率が相転移温度Ｔｃ付近で非常に高くかつ鋭い誘電ピークを有することに起因し、その比誘電率は最大１０万近くにも及ぶ。高い誘電率を有するため、非常に小型のキャパシタを実現することが可能である。また、相転移温度Ｔｃは、Ｔａ／Ｎｂ比（タンタルとニオブの混合比率）を変化させることにより約０Ｋから４００Ｋの間において設定可能である。したがって、適当にＴａ／Ｎｂ比を選択すれば、相転移温度Ｔｃを室温付近に設定することは可能であるため、室温付近で動作が可能となる。さらに、ＫＴＮ結晶又はＫＬＴＮ結晶は、電界印加時に誘電率がいったん増大した後に、低下することが知られている（非特許文献１参照）。誘電率がいったん増大する理由については、完全には解明されていないが、誘電率が低下するのは電界を印加することによって非常に高い誘電率を示す常誘電相よりも低い誘電率を示す強誘電相の比率が増加するためと説明されている。非特許文献１では、比誘電率が３８０００から１５０００に変化しており、約２．５倍の容量変化をもたらすことが可能となる。しかしながら、温度依存性が示されておらずこれより大きな容量変化が可能かどうか不明である。

［実施例］
図１の強誘電体材料１０１は、ＫＬＴＮ結晶を使用する。上部電極１０２および下部電極１０３は、ＫＬＴＮ結晶に電子が注入されないように電子をブロックできるものあればよく、Ｐｔ又はＡｕを用いることが望ましい。

強誘電体材料１０１にＫＬＴＮ結晶を使用すると、容量可変コンデンサにおいて１００ｐＦの比較的大きな静電容量を実現する場合でも、０．８ｍｍ（幅）×０．９ｍｍ（長さ）×１００μｍｍ（厚み）と小型の素子サイズで実現することが可能である。同じ静電容量を得るためにこの実施例に限らず膜厚を薄くしてそれに応じて強誘電体１０１の電極面積（幅×長さ）を小さくすることでも実現できる。このように、ＫＬＴＮ結晶は他材料に比較して、比率誘電率が極めて大きいため、小さい電極面積で高容量のコンデンサを実現することが可能である。

まず、強誘電体材料１０１に電界を印加しないときに、約２３０００の比誘電率を有するように、温調器１０５により強誘電体材料１０１の温度を調整した。ＫＬＴＮ結晶の相転移温度Ｔｃは２５℃であったため、電界印加前において、強誘電体材料１０１の温度をＴｃ＋２℃の２７℃に設定した。

図２は、ＫＬＴＮ結晶の強誘電体材料１０１に電界を印加した時の比誘電率の変化を示す図表である。図２は、ＫＬＴＮ結晶の結晶温度をＴｃ＋２℃から、２℃ごとにＴｃ＋１０℃間でそれぞれ設定した場合の、電界印加の比誘電率の変化を記録したものである。

結晶温度がＴｃ＋２℃（２７℃）の場合、ＫＬＴＮ結晶に１．４ｋＶ／ｃｍの電界を印加すると、電界を印加しないときに比べて比誘電率が１．８倍となった。その後、ＫＬＴＮ結晶に２．０ｋＶ／ｃｍの電界を印加すると、１．４ｋＶ／ｃｍの電界印加時に対して比誘電率が０．４倍となった。したがって、ＫＬＴＮ結晶に、予め２．０ｋＶ／ｃｍの電界を印加しておいた後に、電界を１．４ｋＶ／ｃｍに変化させると４．２倍もの比誘電率の変化を連続に得ることができることがわかる。つまり、本実施形態において、４．２倍の容量変化を得ることができることがわかる。

なお本測定はＤＣ信号で行ったが、ＤＣと同じ振幅を有するＡＣ信号であっても実現可能である。このように強電界をＫＬＴＮ結晶に印加することによって、ＫＬＴＮ結晶の比誘電率、すなわち可変容量コンデンサの静電容量を大きく変化させることができる。図２は、ＫＬＴＮ結晶の温度をＴｃ＋１０℃まで変化させたときの様子を示しているが、その効果は、ＫＬＴＮ結晶の温度が相転移温度Ｔｃに近いほど大きく急激であることが初めてわかった。従来の電圧制御型の強誘電体を用いた可変容量コンデンサより大きな可変容量率として、３倍以上の変化を実現しようとする場合、ＫＬＴＮ結晶の温度を相転移温度Ｔｃから３℃以内の温度上昇に留めることが好ましいことがわかる。なお、本実施例では、ＫＬＴＮ結晶を用いているが、効果の程度はＬｉ濃度に依存するもののＫＴＮ結晶およびＫＬＴＮ結晶のいずれを用いても同様の効果を奏する。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態に係る可変容量コンデンサの基本単位の構成を示す斜視図である。図３に記載の可変容量コンデンサ３００は、強誘電体材料３０１と、強誘電体材料３０１の第１の面に形成された上部電極３０２と、強誘電体材料３０１の第１の面と反対側の第２の面に形成された下部電極３０３と、下部電極３０３の誘電体材料３０１が取り付けられる面と反対側の面に取り付けられたガラス基板３０６と、ガラス基板３０６の下部電極３０３が形成された面の反対側に取り付けられた温調器３０４と、上部電極３０２および下部電極３０３に電圧を印加する電源３０５とを備える。強誘電体材料３０１はＫＴＮ結晶またはＫＬＴＮ結晶を使用する。

ここで、図３に記載の可変容量コンデンサを基本単位として、マトリックス状に可変容量コンデンサを複数作製した。図４は、マトリックス上に製作された、本発明の第２の実施形態に係る可変容量コンデンサの全体の構成を示す斜視図である。図４に記載の可変容量コンデンサ４００は、強誘電体材料４０１と、強誘電体材料４０１の第１の面に、矩形状にパターン化して形成された上部電極４０２と、強誘電体材料２０１の第１の面と反対側の第２の面に形成された共通電極となる下部電極４０３と、下部電極４０３の誘電体材料４０１が取り付けられる面と反対側の面に取り付けられたガラス基板４０６とを備える。なお、図４ではガラス基板下の温調器を省略している。

本実施形態においては、上部電極４０２を所望の数だけ電気的に結合させることにより、複数の可変容量コンデンサを並列に接続した、より幅広い可変容量範囲を実現可能な可変容量コンデンサを作製することができる。

本発明は、静電容量を可変できるコンデンサが必要な電気回路に利用することができる。

１００、３００、４００ 可変容量コンデンサ
１０１、３０１、４０１ 強誘電体材料
１０２、３０２、４０２ 上部電極
１０３、３０３、４０３ 下部電極
１０４、３０４ 温調器
１０５、３０５、４０５ 電源
３０６、４０６ ガラス基板

Claims (4)

1. 相転移温度近傍において誘電率の高い相と低い相が存在する状態を有する誘電体材料であって、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶（ＫＴａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１））、またはリチウムを添加したＫ _1-y Ｌｉ _y Ｔａ _1-x ＮｂxＯ ₃ （０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶である、誘電体材料と、
   前記誘電体材料の対向する面に形成された電極対と、
   前記誘電体材料の温度を調整する温調器と
   を備え、
   前記温調器は、前記誘電体材料を前記誘電体材料の相転移温度以上に保ち、
   前記電極対により前記誘電体材料に印加する電界の強度を変化させ、誘電率の高い相と低い相との比率を変化させることにより静電容量を変化させる
   ことを特徴する可変容量コンデンサ。
2. 前記相転移温度以上の温度は、前記相転移温度から３℃以内であることを特徴とする特徴する請求項１に記載の可変容量コンデンサ。
3. 印加電圧に応じて、静電容量が変化する可変容量コンデンサの静電容量を制御する方法であって、
   前記可変容量コンデンサは、相転移温度近傍において誘電率の高い相と低い相が存在する状態を有する誘電体材料であって、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶（ＫＴａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１））、またはリチウムを添加したＫ _1-y Ｌｉ _y Ｔａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶のいずれかである、誘電体材料を有し、前記方法は、
   前記誘電体材料の温度を、前記誘電体材料の相転移温度以上に保つステップと、
   前記誘電体材料の誘電率が最大となるような電圧を、前記誘電体材料に印加するステップと、
   前記印加された電圧の電圧値から、電圧値をさらに上昇させ、印加された電界の強度を変化させて、誘電率の高い相と低い相との比率を変化させることにより静電容量を変化させるステップと
   を含むことを特徴する方法。
4. 前記相転移温度以上の温度は、前記相転移温度から３℃以内であることを特徴とする請求項３に記載の方法。

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