SE520018C2 - Ferroelektriska anordningar och förfarande relaterande därtill - Google Patents

Description

l0 15 20 25 30 520 018 . . . ; v i . » . . u WO 96/42118 med prioritet ifrån SE-C-506 313, härmed inkorporeras häri genom hänvisning därtill. vilka dokument Mera speciellt kännetecknas den dielektriska permittiviteten for ett ferroelektriskt material av ett icke-linjärt beroende på det En enkel matematisk modell för ett Vendik, S. Zubko, i J. 1997, vilket dokument också härmed därtill. applicerade elektriska fältet. sådant beroende visas i artikeln av O.

Appl. Phys., Vol. 82, sid 4475, inkorporeras häri genom hänvisning Eftersom, den dielektriska permittiviteten uppvisar ett icke-linjärt beroende på det applicerade elektriska fältet, kommer en liknande icke~ linjaritet i prestanda hos mikrovågsanordningen, i vilken ett ferroelektriskt substrat används, t ex varaktorer, resonatorer osv, att uppstå.

Ett exempel på en ferroelektrisk mikrovågsanordning är en ferroelektrisk parallellplattskondensator med t ex ett substrat av Strontiumtitanat (SrTiO3). För en sådan parallellplattskondensator kommer kapacitansen för anordningen C(V) att variera icke-linjärt beroende på den applicerade spänningen. Beroendet ges av förhållandet C=amS/d, där S är aran på kondensatorplattan, d är avståndet mellan plattorna, s är den dielektriska permittiviteten för det dielektriska substratet (som beror på spänningen) och so = 8.85 x 10-” [F/m]. Det är emellertid ofördelaktigt i många praktiska tillämpningar att kapacitansen varierar icke-linjärt med den applicerade spänningen.

Speciellt kan för många praktiska tillämpningar ett linjärt, men också något annat slag av icke- linjärt förhållande mellan kapacitansen och den pålagda spänningen vara fördelaktigt, eller till och med krävas. 10 15 20 25 30 (Fl 2 0 01 s REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Vad elektiskt som behövs är därför en mikrovågskomponent, speciellt en styrd mikrovågskomponent baserad på ferroelektriskt material, vars spänning/kapacitanskaraktärisktika kan styras.

Speciellt behövs en ndkrovågskomponent såsom hänvisad till ovan för vilken kapacitansens beroende på applicerad spänning kan styras. Ännu mera speciellt behövs en nukrovågsanordning, t ex såsom hänvisad till ovan, för vilken kapacitansens beroende på applicerad spänning kan göras linjärt, eller mera generellt styras till att anta ett speciellt icke-linjärt beroende.

Speciellt behövs en kondensator, en varaktor, eller en resonator, som uppfyller ovan nämnda mål. Ännu mera speciellt behövs en parallellplatts-(eller plan)kondensator eller resonator genom vilken ovan nämnda mål kan uppnås. Speciellt behövs en varaktor som kan användas som en “lumped” komponent eller en varaktor som kan användas som en distribuerad komponent, t ex i fasskiftare, fördröjningsledare, resonatorer osv.

Ett förfarande behövs också genom vilket spänningsberoendet hos kapacitansen för en mikrovågsanordning kan styras, där mikrovågsanordningen speciellt är baserad, eller använder ett ferroelektriskt material som substrat. Mera speciellt behövs ett förfarande genonl vilket spänningsberoendet hos kapacitansen kan linjäriseras eller skräddarsys att anta någon önskad form av beroende.

Därför tillhandahålles en elektriskt styrbar/avstämbar mikrovågsanordning som innefattar ett ferroelektiskt (dielektriskt) substrat med en varierbar dielektrisk permittivitet (konstant) och med ledande elektroder anordnade på substratet, där kapacitansen hos anordningen beror på applicerad spänning. Enligt uppfinningen kommer mikrovågsanordningen att innehålla åtminstone lO l5 20 25 30 LTT F -J É CD .__-à CO två sektioner eller tvâ delar vid spänningsapplicering så att att genereras i de olika (dc/dv) på olika elektriska fältstyrkor kommer sektionerna eller delarna, där lutningen linjen representerar spänningsberoendet hos kapacitansen kan styras. Den kan vara positiv eller negativ, motsvarande en konvex eller en konkav linje.

I en speciell implementering består anordningen av en kondensator eller en varaktor, eller speciellt en parallellplattskondensator.

I ett annat utföringsexempel består den av en resonator, speciellt en parallellplattsresonator_ Utveckling eller generering av olika elektriska fältstyrkor i olika sektioner eller olika avsnitt av mikrovågsanordningen kan tillhandahållas för på olika sätt.

I fördelaktiga implementeringar bildas eller designas anordningen faktiskt så att den innefattar olika sektioner eller delar, där varje sektion eller del har en tjocklek och/eller en area, speciellt en plattarea, som skiljer sig från tjocklekarna och/eller plattareorna för de andra sektionerna (eller den andra sektionen om det bara finns en annan sektion). Således kan lutningen på spänningsberoendet (derivatan) hos kapacitansen styras genom lämpligt val av tjocklekarna och/eller plattareorna (formerna) för de olika sektionerna.

I en speciell implementering, för en parallellplatsanordning, appliceras samma spänning till de olika sektionerna eller delarna av anordningarna, där de olika sektionerna/delarna är i elektrisk kontakt, och det genererade elektriska fältet i ett avsnitt eller en del kommer att bero på tjockleken på respektive sektion.

Speciellt finns det en gemensam, första elektrodplatta och ett gemensamt ferroelektiskt substrat, och för varje avsnitt eller del tillhandahålles en annan separat, elektrod. För andra, varje 10 l5 20 25 30 (F h3 CD CD -A Co , « . . f» 5 sektion är tjockleken för motsvarande ferroelektiska avsnitt annorlunda, och de andra elektroderna är anordnade på olika avstånd ifrån den gemensamma första elektrodplattan. Samma spänning appliceras till de olika sektionerna. Då, om de andra elektroderna inte är elektriskt i kontakt, måste för varje sektion en separat tillhandahållas till andra anslutning varje elektrodplatta för applicering av samma spänning. I ett annat utförande är de andra elektrodplattorna elektriskt förbundna med varandra, men storleken och/eller formerna på sektionerna skiljer sig åt. I det fallet krävs bara en anslutning och samma spänning kommer ändå att appliceras på alla sektionerna, men eftersom de har olika tjocklekar, kommer de genererade elektriska fälten att bli olika för varje sektion.

Således kan anordningen designas så att den innefattar endast en “sektion” före applicering av en spänning, där de olika delarna eller sektionerna faktiskt skapas genom appliceringen av en spänning. Alternativt är den så designad att olika sektioner kan särskiljas eller bildas av diskreta olika sektioner. sektionerna I det I återigen ett annat utförande är de olika fullständigt separata, men de har samma storlek och form. fallet måste olika spänningar appliceras på de respektive sektionerna fält. för att möjliggöra generering av olika elektriska I återigen en annan implementering är sektionerna separata, men skiljer sig ändå ifrån varandra och samma spänning appliceras på dem alla. Generellt kommer antalet olika sektioner att ge noggrannheten på styrbarheten och lutningen (dc/dv) spänningsberoendet hos anordningens kapacitans. I en speciell implementering är båda elektrodplattorna gemensamma för alla delar eller sektioner i anordningen, och det ferroelektriska substratet 10 l5 20 25 30 « » - ~ « » varierar i tjocklek, så att en av plattorna som är anordnade därpå kommer att variera i form mer eller mindre kontinuerligt, så att vid applicering av en spänning, det genererade elektriska fältet i olika delar av anordningen kommer att skilja sig. I återigen en annan implementering varierar det ferroelektriska substratet i tjocklek så att båda plattorna anordnade på ömse sidor därav kommer att variera i form, t ex genom att inte vara flata, så att avståndet mellan dem varierar. Variationen i tjocklek på substratet kan vara kontinuerlig eller utgöras av diskreta steg.

I speciella utföranden är anordningen skivformad, cirkulär, hexagonal, ellipsoidisk, rektangulär eller av någon annan lämplig regelbunden eller oregelbunden form. Mera speciellt kan den tunnaste sektionen eller delen ha den minsta plattarean, medan den tunnaste och minsta sektionen är anordnad vid anordningens centrum. I ett speciellt utförande är tjockleken på det ferroelektriska substratet given en tillhandahålla olika sektioner, elektrodplatta trapetsform för att och, såsom hänvisats till ovan, kan en vara gemensam, medan de andra elektrodplattorna består av distinkta elektrodplattor, för att definiera olika sektioner, som kan vara elektriskt anslutna eller ej. Alternativt är också den andra elektrodplattan gemensam för alla sektioner, men uppvisar en kontinuerligt varierande form, som följer substratytan, så att anordningen kommer att uppvisa en varierande tjocklek. Speciellt stort delar. I innfattar anordningen ett antal sektioner eller alternativa implementeringar innehåller den endast ett begränsat antal sektioner eller delar, t ex tre eller fyra eller något annat lämpligt antal.

I en speciell implementering är skillnaderna i tjocklek och plattarea ifrån en sektion till en annan, mellan näraliggande sektioner, infinitesimala, så att tvärsnittet på mikrovågsanordningen genom det ferroelektriska substratet och de lO l5 20 25 30 5:20 ms gemensamma och/eller sektionella elektroderna kommer att uppvisa en väsentligen kontinuerligt varierande tjocklek med den tunnaste sektionen i centrum. Speciellt är en yta, här kallad den övre ytan, på substratet icke plan, och symmetrisk, i förhållande till centrum på sagda övre yta, tvådimensionellt eller radiellt, och elektrodplattan (plattorna) mot öka sitt avstånd ifrån den andra, anordningens omkrets.

I en alternativ implementering består den av en plan anordning med en tunnfilmsferroelektrisk substratstruktur med plana elektroder anordnade på substratet så att ett gap bildas mellan elektroderna.

I det fallet är gapet så format att kapacitansens beroende på applicerad spänning kan styras. Ett gap kan vara så format att det varierar i diskreta steg, och således tillhandahåller olika sektioner. I en alternativ implementering är gapet så format att det varierar västentligen kontinuerligt. Enligt olika implementeringar tillhandahålles en gemensam andra elektrod, ett jordplan, medan i andra implementeringar inte.

Anordningen kan också, såsom hänvisats till ovan, innefatta ett antal elektriskt separata sektioner som har olika tjocklekar (och plattareor), och samma olika spänning kan appliceras på de elektrodsektionerna. I ett utföringsexempel har de elektriskt separata sektionerna väsentligen samma form, storlek och tjocklek, och olika spänningar appliceras på de olika sektionerna. Vilken kombination som helst är i princip möjlig, t ex att olika sektioner kan användas och olika spänningar kan också appliceras till de olika sektionerna, så att en kombination av form eller designgivning av anordningen och av applicering av olika spänningar implementeras. Alternativt är det endast designen som är sådan att spänningsberoendet hos kapacitansen kan styras genom att tillhandahålla för olika sektioner i vilka olika elektriska fältstyrkor genereras. 10 l5 20 25 30 "'VI I VI vi 1 I. g t. , ' * I t) zzfg.. .... ...u ,.

Ja. O - ... ':; ;-;--- ' " V flyt! , ,. ' av ett Andra Substratet består speciellt av ett bulkmaterial substrat av SrTiO@ eller också består det av en tunn film. alternativ år exempelvis BaSrTiO3, Barium-Strontium-Titanat osv.

De ledande elektroderna kan bestå av normala ledare, t ex av Au, Al, Cu. Alternativt består de av supraledare t ex gjorda av YBCO, Nb osv. Elektroderna kan också bestå av låg-, eller högtemperatur- supraledare. I en speciell implementering är ett normalt ledande lager applicerat ovanpå en supraledare eller en högtemperatursupraledare. I återigen ett annat utförande kan ett buffertlager, som är tunnt, vara anordnat mellan supraledande elektroder och det ferroelektriska substratet.

Uppfinningen visar också ett förfarande för att styra spänning/kapacitanskaraktårisktikan hos en elektriskt styrbar/avstambar mikrovågsanordning som innefattar ett ferroelektriskt substrat, med en varierbar dielektrisk permittivitet, och ledande elektroder anordnade på sagda substrat. anordna det ferroelektriska tillhandahålla för Förfarandet innefattar stegen att; substratet och elektroderna och spänningsapplicering så att en annorlunda elektrisk faltstyrka för vardera av ett antal sektioner eller delar som bildas i elektriska fältstyrkor, geflêlfêlfâs således anordningen; styra genereringen av olika eller en mer eller mindre kontinuerligt varierande elektrisk faltstyrka, för att styra lutningen på kapacitansens spanningsberoende.

Speciellt innefattar förfarandet stegen att; designa substratet och elektroderna så att olika sektioner bildas; applicera samma spänning till de olika sektionerna så att olika elektriska fältstyrkor genereras för var och en av sagda sektioner beroende på storleken och/eller tjockleken på sektionerna. Ännu mera speciellt innefattar förfarandet stegen att, för en parallellplattsanordning; forma substratet och elektroden 10 15 20 30 LH ßö CD CD _à OO (elektroderna) så att en första central sektion kommer att ha en första (platt-)area och en första tjocklek; öka, för följande sektioner, tjockleken och arean stegvis eller kontinuerligt.

Speciellt kan, på en sida av substratet, en gemensam elektrodplatta vara anordnad, så att anordningen utgör en parallellplattsresonator eller -kondensator. Alternativt är substratet anordnat mellan två gemensamma elektrodplattor, av vilka den ena eller båda har givits en form som svarar emot ytan (ytorna) hos substratet, så att olika sektioner bildas vid applicering av en spänning. I ett alternativt utförande innefattar det stegen att; anordna ett antal elektriskt separata sektioner av samma storlek och form; applicera olika spänningar till sektionerna som har samma storlek och form, så att för varje sektion ett annorlunda elektriskt fält genereras. Alternativt används ett gemensamt substrat med en varierande tjocklek, och en av de första och andra elektroderna innefattar separata avsnitt, varvid samma spänning appliceras till var och en av sektionerna. innefattar I ett alternativt utförande, för en planar anordning, förfarandet stegen att; designa bredden på gapet mellan plana elektoder anordnade på. ett ferroelektriskt substrat så att vid applicering av en spänning till elektroderna, kommer den genererade elektriska fältstyrkan att variera så att den medger styrning av lutningen (dc/dv) hos beroendet hos kapacitansen på den applicerade spänningen.

Förfarandet kan sett innefatta och/eller generellt steget att designa substratet elektroderna så att, vid applicering av spänning, kapacitansen varierar med den applicerade spänningen på ett önskat sätt. Fördelaktigt innefattar förfarandet steget att göra beroendet för den totala kapacitansen på applicerad spänning Detta betyder att dc/dv linjär, dvs C(V)-beroendet linjariseras. är konstant. 10 20 25 30 'I 'I ø u -. ., .. H _ .

Ef) ” J' " ~~- »-., .... .n.^ r - X k¿..¿, .. . ...., MN ¿.¿ vn... . , , .I- ; z _- v: f v-.f :å . , , ' ' I 1- w-u ' ' ““ ' ' ' ..., H . . 10 KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer i det följande att ytterligare beskrivas, på ett figurer, Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig. icke begränsande l 2 3A 3B 6 sätt, och under hänvisning till bifogade i vilka: är ett diagram som illustrerar beroendet hos den dielektriska permittiviteten för ett substrat av SrTiO@ vid 35°K, på applicerad spänning, är ett diagram som schematiskt illustrerar en jämförelse mellan C(V)-beroendet för en varaktor som innehåller en sektion och för en linjäriserad varaktor som innehåller tre sektioner enligt föreliggande uppfinning, illustrerar en cirkulär parallellplattskondensator/ resonator enligt ett första utförande av föreliggande uppfinning, är ett tvärsnitt av anordningen i Fig. 3A, är en isometrisk vy av en cirkulär parallellplattsanordning som innehåller tre sektioner enligt ett annat utförande av uppfinningen, schemtiskt illustrerar ett annat utförande av en anordning i vilken en av substratytorna, på vilken t ex en gemensam elektrodplatta är anordnad, är icke-plan, och varierar kontinuerligt, så att tjockleken på substratet kommer att variera, illustrerar ett annat utförande av en anordning enligt uppfinningen där substratet har en kontinuerligt lO 15 20 25 30 ll varierande tjocklek medelst icke-plana övre och undre ytor, Fig. 7 mycket schematiskt illustrerar ett utförande med ett substrat för vilket tjockleken varierar med diskreta steg, tillhandahàllet för genom icke-plana övre och undre ytor, Fig. 8A illustrerar ett utförande av en mikrovågsanordning som innehåller två planelektroder med ett gap däremellan, Fig. 8B illustrerar ett utförande som liknar det i Fig. 8A också inkluderande en jordplanselektrod, Fig. 8C visar en plan elektrodstruktur med en uppsplitträd elektrod som har sektioner av olika storlekar, på olika avstånd ifrån en annan, gemensam, elektrod, Fig. 9A schematiskt, och av illustrativa skäl, visar ett enkelt utförande med tre separata sektioner av samma storlek och form till vilka olika spänningar appliceras, och Fig. 9B visar, av illustrativa skäl, en anordning som innehåller tre separata sektioner av olika storlek och tjocklek, till vilka sektioner samma spänning appliceras.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Den dielektriska permittiviteten, eller den dielektriska konstanten, för ett ferroelektriskt material, beror icke-linjärt på den applicerade spänningen, eller snarare på det resulterande applicerade elektriska fältet. I Fig. l illustreras beroendet hos den dielektriska konstanten för SrTiO3, som är ett typiskt 10 l5 20 25 30 5220 018 (N- 1:4 w . » - » . .- 12 ferroelektriskt material, för en temperatur på 35K, på applicerad spänning. Mera specifikt illustrerar Fig. l beroendet hos absolutvärdet av den dielektriska konstanten på applicerad spänning i spänningsområdet 0-200V. Därför kommer en parallellplattskondensator gjord av ett sådant ferroelektriskt material att uppvisa ett liknande icke~linjärt beroende hos kapacitansen för anordningen på den applicerade spänningen, såsom ges av förhållandet C = am S/d, där S är plattarean för kondensatorn, d är avståndet mellan plattorna, och 2 är den dielektriska konstanten 8.85 x l0*2 [F/m]. (beroende på V), och 20 = I praktiska applikationer krävs ofta ett linjärt eller något annat slag av icke-linjärt beroende, dvs som skiljer sig ifrån det som visas i Fig. l, mellan kapacitansen och det applicerade fältet eller spänningen. Därför föreslås enligt uppfinningen ett sätt att styra lutningen på C(V)-beroendet, (dvs derivatan dC/dv).

Speciellt kan den linjariseras (motsvarande att dC/dV är en konstant) och/eller skräddarsys såsom illustrerat i utföringsexemplen som kommer att följa nedan.

Enligt ett utförande av föreliggande uppfinning föreslås en mikrovågsanordning i vilken för vardera av åtminstone två sektioner eller delar av anordningen, vid spänningsapplicering, det genererade elektriska fältet kommer att bli olika. För en och samma applicerad spänning kommer det genererade elektriska fältet i de respektive sektionerna/delarna att bli olika, eftersom det genererade elektriska fältet beror på tjockleken på anordningen, eller avståndet mellan plattorna som E = V/d, under förutsättning att formen och/eller storleken på anordningen inte är densamma utöver anordningen. Detta olika elektriska fält kan uvvvu betyder att genereras vid olika sektioner genom att ge de olika sektionerna 10 15 20 25 30 _ .. ., . .. . f) O - ..'.', .' .'.f . .'..". ."..' 0 . _ . . . .. . .

I' I I 0 -l I l » , ,, . 13 olika former och/eller storlekar. Det är också möjligt att applicera olika spänningar till olika sektioner eller att implementera en kombination av' bådadera, dvs tillhandahålla en anordning av varierande storlek och/eller form och att applicera olika spänningar till olika delar av anordningen. Detta illustreras också schematiskt i Fig. 9A, 9B.

Såsom ett exempel, kan en skivformad kondensator, eller en parallellplattsresonator, bildas eller designas att innefatta två eller flera sektioner av tjocklekarna dl, d2, d3,m Sl, S2, S3,m med plattareor Beroendet för den totala kapacitansen på den applicerade spänningen för en sådan struktur kan styras eller skräddarsys, speciellt linjariseras, genom att på lämpligt sätt välja tjocklekarna dl, d2, d3 och areorna S1, S2, S3,m för de olika sektionerna. Den totala kapacitansen för en sådan anordning kommer speciellt att ges av: c(E)=s(E)s0Sl/dl+s(E)sOS2/d2+s(E)s0S3/d3+ N = S1(8(E)80/dl+8(E)80(S2/S1)/d2+8(E)80(S3/S1)/d3+ m)= S1(8(E)8mnl/dl+3(E)6mn2/d2+8(E)8mn3/d3+ HJ, där ml(=l), m2, S3/S1. m3 är kvoterna mellan plattareorna, S1/S1; S2/Sl; Således kan lutningen på C(V)-beroendet styras genom lämpligt val av tjocklekarna och plattareorna.

Pig. 2 är ett diagram som schematiskt illustrerar en jämförelse mellan C(V)-beroendet genom den relativa kapacitansen vid en given applicerad spänning i förhållande till kapacitansen vid biasering, dvs ingen applicerad spänning, för en en- sektionsvaraktor där dl=d2=d3 (indikerat av en heldragen linje), 10 15 25 30 (_77 :ao 0183 14 och ett linjariserat C(V)-beroende för en motsvarande tre- sektionsvaraktor baserad på SrTiO3 med dl=2um, d2=8wn, d3=20wn, där kvoterna mellan plattareorna, m2=7 och m3=l6 se formeln ovan, här är m1=O.5, (indikerat av den streckade linjen i figuren), dvs i detta fall den relativa kapacitansen, med CO(V,d,30)/CO(O,d,30) (ickebiaserad) C1(V,d,30)/C1(V,d,O) (linjariserad).

Liknande resultat kan erhållas oavsett om anordningen är cirkulär eller icke-cirkulär, t ex rektangulär, ellipsoidisk osv. Det ferroelektriska substratet, speciellt dess tjocklek, kan vara designat med olika former, att tillhandahålla trapetsformer eller andra former, för för en önskad lutning på spänningsberoendet hos kapacitansen för anordningen. Principen är applicerbar på ferroelektriska bulksubstrat likväl som på ferroelektriska tunnfilmsstrukturer. Det är också möjligt att, alternativt eller därutöver, applicera olika spänningar till olika sektioner osv.

Dessutom är konceptet applicerbart på parallellplattsanordningar likväl som på plana anordningar. I det följande kommer några exemplifierande implementeringar att illustreras.

Fig. 3A illustrerar en skivformad kondensator (eller parallellplattsresonator) 10 som innehåller tre olika sektioner.

I själva verket är det en kondensator om dimensionerna är mycket mindre än mikrovågsvåglängden i dielektrikat, medan för en resonator dimensionerna skall vara jämförbara med eller större än mikrovågens våglängd i dielektrikat. Den skivformade kondensatorn eller parallellplattsresonatorn 10 innefattar här ett ferroelektriskt (dielektriskt) substrat 101 t ex av SrTiO3 med en bottenelektrod 102 som är gemensam för alla de tre sektionerna, och tre separata övre elektroder, 103A, 103B, 103C anordnade på olika delar eller sektioner av substratet 101. Det ferroelektriska substratet 101 är så designat att en första sektion ges av den centrala delen av den som har en given radie 10 l5 20 25 30 520 018 15 och tjocklek, medan den andra sektionen är tjockare och i form av en ring, och slutligen den tredje sektionen är den tjockaste, också formad som en cirkulär ring. De tre övre elektroderna 103A, 103B, 103C är i detta utföringsexempel ej elektriskt sammankopplade. Således måste spänningen appliceras separat via en ledare eller en ledande kabel till var och en av' de övre elektroderna. I detta utföringsexempel appliceras samma spänning till varje sektion, och när biaseringsspänningarna appliceras, förändras den dielektriska konstanten hos det icke-linjära ferroelektriska substratet 101, och den kommer att bli olika för varje sektion, och olika elektriska fält utvecklas. För en resonator, förändras resonansfrekvensen (och Q-faktorn).

Speciellt består det ferroelektriska substratet 101 av ett enkristallint bulkmaterial av SrTiO3. De övre elektroderna har plattareor S1, S2, S3 Fig. 2. såsom diskuterats under hänvisning till Den totala kapacitansen för en sådan struktur ges av formeln som indikerats ovan i anslutning till Fig. 2. cirkulära Fig. 3B är en tvärsnittsvy av den parallellplattsresonatorn/kondensatorn i Fig. 3A.

I ett utföringsexempel består de ledande elekroderna 102, 103A, 103B, 103C av normalt ledande material eller en normal metallfilm, t ex av Au, Al, Cu. I andra utföranden används supraledande elektroder, speciellt högtemperatursupraledande filmer, t ex av YBCO. Också andra supraledande material kan givetvis användas. I ett utförande (ej visat) kan ett normalt ledande lager vara anordnat ovanpå ett supraledande lager både för att tillhandahålla för fungerande också vid temperaturer ovanför TC, som är den temperatur vilken det supraledande materialet blir supraledande, dvs så att drift möjliggörs både i ett supraledande och i ett icke supraledande tillstånd, och för skyddsändamål som ett skyddslager. Dessutom är det nßjligt att 10 15 20 25 30 5:2 0 0 1 :ifijf - 16 anordna ett tunt buffertlager mellan de ledande elektroderna (speciellt om de är supraledande) och det ferroelektriska substratet, bland annat för att förbättra kvaliten på de supraledande filmerna vid deponeringsstadiet och för att stabilisera det supraledande film-ferroelektriska systemet genom att styra de kemiska reaktionerna, t ex utbyte av syre mellan de supraledande filmerna och det dielektriska substratet. Även om i detta utförande samma spänning appliceras till var och en av sektionerna, kommer det också att bli möjligt att applicera olika spänningar till de olika sektionerna, och således att kombinera designing av det ferroelektriska substratet och appliceringen av olika spänningar för att erhålla de adekvata genererade elektriska fälten i de respektive sektionerna för att erhålla den önskade lutningen på spänningsberoendet hos kapacitansen.

I Fig. 4 illustreras en mikrovågsanordning som består av en parallellplattsresonator eller en kondensator 20. Den innefattar tre sektioner, i likhet med utförandet i Fig. 3A, 3B. På ena sidan av det ferroelektriska substratet 201 är en bottenelektrod, eller mera generellt en första elektrod, 202, anordnad, som är gemensam för alla tre sektionerna, medan ovanpå det ferroelektriska substratet 201, eller snarare på den motsatta en andra elektrod 203 är (här) sidan av det ferroelektriska substratet, anordnad som är given samma form som det övre avsnittet av det ferroelektriska substratet. En första (central) och cirkulär sektion har en första tjocklek hl, den andra sektionen, som är ringformad har en andra tjocklek hg, och den tredje sektionen, som också är ringformad, har en tredje tjocklek hg, där h3 > h2 > hy Tjockleken på det ferroelektriska substratet varierar i diskreta steg, där den tunnanste sektionen är anordnad i centrum av anordningen. Den första sektionen har en radie rl, den andra sektionen definierar en ring med en yttre radie rg, och den tredje sektionen har en yttre radie r3, där r3 > rg > rl. Eftersom de 10 15 20 25 30 51,730 018 h. .,-_ 17 olika avsnitten hos den övre elektroden 203 i detta utföringsexempel är elektriskt förbundna, dvs den övre elektroden 203 i själva verket bildar en gemensam elektrod, appliceras en spänning till den övre elektroden, dvs till de tre sektionerna, med hjälp av en enda ledare. I detta utföringsexempel är det en anslutning till den tredje sektionen. I ett alternativt utförande kan den emellertid vara ansluten till den första sektionen eller till den andra sektionen. I detta utföringsexempel appliceras således samma spänning till alla sektionerna, och variationen i det genererade elektriska fältet är uteslutande given av designen på de olika sektionerna.

Fig. 5 visar åter ett annat exempel på en parallellplattsmikrovågsanordning 30. Ett ferroelektriskt substrat 301 är försett med en första elektrod 302 och en andra elektrod 303 på ömse sidor därom. Det ska vara klart att övre och undre här endast utgör beteckningar som anges av exemplifierande skäl. Det cirkulära ferroelektriska substratet är platt på en sida. Den andra (övre) sidan eller ytan är så formad att substrattjockleken kommer att vara minst i centrum. För en och således kommer h(r). cirkulär anordning har substratet en radie r, tjockleken att bli en funktion av avståndet ifrån centrum, I detta utföringsexempel finns det således inte några distinkta sektioner, 302, 303, olika delar av anordningen, men vid applikation av en spänning till elektroderna kommer det genererade elektriska fältet att bli olika i även om samma spänning appliceras till varje sektion eller till varje del. Beroende på variationen i tjocklek hos det ferroelektriska substratet, kommer det genererade elektriska fältet att variera utöver anordningen, och det kan styras så att den krävda eller önskade lutningen för beroendet hos kapacitansen för anordningen kan erhållas genom lämpligt val av designen på det ferroelektriska substratet. 10 15 20 25 30 n un 18 Fig. 6 visar återigen ett annat exempel på en parallellplattsmikrovågsanordning 40 med ett ferroelektriskt substrat 401 med en varierande tjocklek. Det antas också här att anordningen har en cirkulär form och tjockleken på det ferroelektriska substratet h beror på radien h(r), dvs den varierar med avståndet ifrån centrum. Både den övre och den undre ytan hos det ferroelektriska substratet varierar kontinuerligt på liknande sätt, t ex här antagande formen av vardera en skål, där sagda skålar mynnar utåt i motsatta riktningar, så att tjockleken på anordningen ökar emot anordningens periferi, där lutningsvinkeln för skålarna är sådan att den önskade lutningen på C(V)-beroendet erhålles.

Fig. 7 illustrerar återigen en annan implementering av ett ferroelektriskt substrat 501 med en varierande tjocklek.

Tjockleken varierar stegvis på symmetriskt sätt på båda sidor och gemensamma elektroder 502, 503 är anordnade på ömse sidor om substratet. Tjockleken varierar med diskreta steg så att tre olika sektioner tillhandahålles med vardera en given diameter och en given tjocklek. Elektroderna är gemensamma för de tre sektionerna, och en och samma spänning appliceras till varje sektion. Variationen i storlek och form på det ferroelektriska substratet, eller mera generellt för de olika sektionerna, ger de olika elektriska fälten som genereras vid spänningsapplicering.

Det ska vara klart att också i detta utförande skulle separata elektroder kunna tillhandahållas för varje sektion, dvs elektroder som inte är elektriskt sammankopplade, så att separata ledare eller ledande kablar krävs för applicering av spänning.

Dessutom kan samma spänning appliceras till varje sektion.

Alternativt appliceras olika spänningar till de olika sektionerna såsom diskuterats ovan för att dra fördel både av skillnaderna i design och i applicerad spänning för styrningsändamål. 10 15 20 25 30 (3 . .. . .. . . .. . (_ Q . .. . . ., . . . . _. . . 19 I Fig. 8A visas en mikrovågsanordning 60 som innefattar ett tunnfilmsferroelektriskt substrat 601. Två plana elektroder 603A, 603B är anordnade på det ferroelektriska substratet 601. De plana elektroderna är försedda med utskjutande, och motsatt riktade avsnitt 603A', 603B' mellan vilka ett gap bildas. De utskjutande avsnitten är så formade att bredden. på gapet, och således det genererade elektriska fältet, kommer att variera, så att en önskad lutning hos C(V)-beroendet kan erhållas.

Fig. 8B visar en struktur 70 som liknar den i Fig. 8A, men som inkluderar tillhandahållandet av en jordelektrod 602.

Fig. 8C illustrerar mycket schematiskt återigen ett annat alternativt utförande av en planstruktur 80 med ett ferroelektriskt substrat av tunnfilm 801 på vilket elektroder 803A, 803B, 8030 och 804 är anordnade. Storlekarna (och formerna) på elektroderna 803A, 803B, 803C skiljer sig åt. Elektrod 803A är den minsta, följd av elektrod 803B som är större än 803A 1nen mindre än påföljande elektrod 803C, så att också i detta fall, elektriska fält 803B, 803C och konstanten för det liksom i utförandena i Fig. 8A, 8B, olika utvecklas mellan de respektive elektroderna 803A, elektrod 804, eftersom den dielektriska ferroelektriska materialet kommer att skilja sig ifrån en del av den plana elektrodstrukturen till en annan, och eftersom kapacitansen för varje respektive del av anordningen beror på den dielektriska konstanten hos den delen, kommer också kapacitansen att skilja sig åt. Genom noggranna val av storlekarna/formerna på elektroderna, och således avstånden Inellan elektroderna, kommer spännings/kapacitanskaraktäristikan att kunna styras, eller speciellt linjariseras svarande mot att derivatan dC/dV är en konstant. 10 l5 20 25 30 520 018 ÉÜÉïfïïfl-f n Nu 20 Fig. 9A är en förklarande figur sonl visar ett annat förenklat utförande i vilket tre separata parallellplattsresonatorer eller kondensatorer är anordnade, eller snarare en resonator eller parallellplattskondensator uppsplittrad i tre olika sektioner med 90lA, 90lB, 90lC med 902B, ferroelektriska substrat 903B, 903C och 902A, Det antas att respektive elektroder 903A, 902C anordnade på ömse sidor därom. storleken och formen på varje parallellplattsresonatorsektion är densamma som formen på de andra och de har också samma tjocklek. För att kunna styra kapacitansen för varje del eller delstruktur, måste således olika Det antas struktur 90OA, en slutligen V93 till de olika delstrukturerna. till 9OOB och där V91 < V92 < V93. spänningar appliceras här att en spänning V91 appliceras spänning V92 appliceras till struktur appliceras till struktur 90OC, Eftersom den dielektriska konstanten för de respektive delstrukturerna beror på det genererade elektriska fältet för respektive strukur (E91 < E92 <1 E93), 900A att bli större än för delstruktur 9OOB, kommer den dielektriska konstanten för delstruktur som i sin tur kommer att vara större än den för delstruktur 900C. På motsvarande sätt kommer kapacitansen CU för delstruktur 900A att bli högre än den, Clb för delstruktur 9OOB, som i delstruktur 900C. sin tur är högre än CB för Det ska vara klart att, för att kunna erhålla samma effekt, är det möjligt att ge de olika delstrukturerna något olika tjocklekar men ändå applicera olika spänningar till dem. Spänningsskillnaderna kan då göras mindre. Det är också möjligt att endast arbeta med tjocklekarna och/eller formerna, i vilket fall samma spänning kan appliceras till varje delstruktur.

Genom speciella val av tjocklekar/former och spänningar, kan andra förhållanden än de som hänvisats till ovän också erhållas.

Ett sådant utförande illustreras i Fig. 9B.

Parallellplattsresonatorn eller kondensatorstrukturen 9OB är uppdelad i tre delstrukturer, där delstruktur 900D är större och tjockare än delstruktur 900E, som i sin tur är större och 10 15 20 25 30 (Fl iQ CD CD __).

CS 21 9OOF. detta utföringsexempel substrat 90lD, tjockare än delstruktur Också i består varje delstruktur av ett ferroelektriskt 90lE, 9030; respektive 90lF, på ömse sidor om vilka elektroder 902D, 902E, 903E; 902F, 903F är anordnade. Det antas att en och samma spänning V90 appliceras till var och en av delstrukturerna.

Beroende på hur plattareorna och tjocklekarna på strukturerna är kan de elektriska fälten som genereras i delstruktur 9OOD, 9OOF valda, 9OOE respektive styras, vilket i sin tur påverkar den Genonl att välja de respektive areorna C(V)- dielektriska konstanten. och tjocklekarna på delstrukturerna, kan lutningen på beroendet styras eller skräddarsys så som önskas genom att välja eller påverka det partiella bidraget från respektive kapacitans för de respektive olika delstrukturerna.

Det ska noteras att uppfinningen givetvis inte är begränsad till tre delstrukturer, utan detta visas endast sonl ett exempel. I allmänhet kan lutningen_ på C(V)-beroendet (dC/dV) styras mera noggrant ju fler sektioner eller delar det finns, och där varje struktur endast skiljer sig minsta möjliga mån ifrån näraliggande strukturer såsom också beskrivits mera i detalj ovan.

Det ska vara klart att också andra ferroelektrika eller avstämbara dielektriska material än SrTiO3 kan användas. Det ska vara klart att också i andra avseenden är uppfinningen inte begränsad till illustrerade utan den kan de specifikt utföringsexemplen, varieras på ett antal sätt inom ramen för vidhängande patentkrav.

Claims (29)

10 15 20 25 30 5220 018 22 PATENTKRAV

1. Elektriskt (lO;20;30;40;50;60;70;80;9OA;9OB) (l0l;20l;30l;40l;50l;60l;80l;90lA- styrbar/avstämbar mikrovågsanordning innefattande ett ferroelektriskt substrat C;90lD-F) med en variabel dielektrisk permittivitet, och ledande elektroder (lO2,lO3A-C;202,203;302,303;402,403;502,503;603A,A', 603B,B';803A-C,804;902A-C,903A-C;902D-F,903D-F) anordnade på sagda substrat, och vars kapacitans beror på applicerad spänning, C(V), k ä n n e t e c k n a d d ä r a V att mikrovågsanordningen innefattar åtminstone två sektioner eller vardera av vilka olika delar av substratet/elektroderna för elektriska faltstyrkor genereras vid spanningsapplicering, där sagda genererade elektriska fåltstyrkor bestäms av designen på anordningen och/eller spänningsappliceringen så att lutningen (dC/dV) for spanningsberoendet hos kapacitansen (C(V)) hos mikrovågsanordningen kan styras.

2. En mikrovågsanordning (lO;20;30;40;50;90A;9OB) enligt patentkrav l, k a n n e t e c k n a d d ä r a v att den består av en parallellplattsresonator.

3. En mikrovågsanordning (lO;20;30;40;50;9OA;9OB) enligt patentkrav 1, k a n n e t e c k n a d d a r a v att den består av en parallellplattskondensator, eller en varaktor.

4. En ndkrovågsanordning (lO;20;30;40;50;90A;9OB) enligt något av patentkraven 1,2 och 3, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v 10 15 20 25 30 _ .o w- > v v» f» n ~ v. v. u . { C u n; .ß n f 1. o 4 av n . v, a-J y v s» n.. f w n . -, - n .-.1 =.. |. . - . ; f. f. , - = »l u 1.- - « u » 1.- ; 1 . -. ï » i - . . u ,= . a 1 a 1 . , f- f. 1. .. m ~ | 23 att varje sektion har en tjocklek och/eller en elektrodplattsarea som skiljer sig ifrån tjockleken (tjocklekarna) och/eller plattarean (plattareorna) för den eller de andra sektionerna, och att kapacitansens beroende på spänningen styrs genom lämpligt val av tjocklekarna och elektrodplattsareorna hos sektionerna.

5. En mikrovågsanordning (lO;20;30;40;50;9OB) 4, enligt patentkrav k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att samma spänning appliceras till olika sektioner och att, för den applicerade spänningen, det genererade elektriska fältet for en sektion beror på tjockleken och plattarean hos sektionen.

6. En mikrovågsanordning (10) enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att en (102) och ett gemensam elektrodplatta (101) är gemensamt ferroelektriskt substrat anordnat, och att for varje sektion, separata, andra, elektroder (lO2A,lO3B,103C) är anordnade, att for varje sektion tjockleken på motsvarande ferroelektriska substratsavsnitt är annorlunda, och att de andra elektroderna (103A,lO3B,lO3C) är anordnade på olika avstånd ifrån den gemensamma första elektrodplattan (102).

7. En mikrovágsanordning enligt patentkrav 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v cirkulär, ellipsoidisk eller rektangulär, (103A) att den är skivformad, och att den tunnaste sektionen har den minsta plattarean (103A), där sagda tunnaste och minsta sektion är anordnad i centrum av mikrovàgsanordningen (10).

8. En mikrovàgsanordning enligt något av patentkraven 5-7, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v 10 15 20 25 30 24 att tjockleken på det ferroelektriska substratet är trapetsformat for att tillhandahålla de olika sektionerna.

9. En mikrovågsanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att den består av ett stort antal olika sektioner och att noggranheten hos styrbarheten av lutningen (dC/dV) for kurvan som representerar kapacitansens beroende på spänningen ökar med antalet sektioner.

10. En mikrovågsanordning (lO;20;30;40;50) enligt patentkrav 9, k a n n e t e c k n a d d ä r a v att skillnaderna i tjocklek och plattarea ifrån en sektion till en är infinitesimala, så att annan, mellan näraliggande sektioner, genom det ferroelektriska och/eller de tvärsnittet på mikrovågsanordningen substratet och det gemensamma sektionella elektroderna uppvisar en väsentligen kontinuerligt varierande tjocklek med den tunnaste sektionen i centrum.

11. ll. En mikrovågsanordning (60;70;80) enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att den består enl en tunnfilmsferroelektriskt substrat-struktur (60l;80l) elektroder (603A,A';603B,B';803A-C,804) (60l;801), med plana anordnade på substratet så att ett gap bildas mellan sagda elektroder, och att gapet är så format att lutningen på kapacitansens beroende på applicerad spänning (dC/dV) kan styras.

12. En mikrovågsanordning (80) enligt patentkrav ll, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att gapet är så format att det varierar med diskreta steg, således tillhandahållande olika sektioner. 10 15 20 25 30 25

13. En mikrovàgsanordning (60;70) enligt patentkrav 11, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att gapet är så format att det varierar väsentligen kontinuerligt.

14. En mikrovågsanordning (9OA;9OB) enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att den innefattar ett antal elektriskt separata sektioner.

15. En mikrovågsanordning (10;20;30;40;50;60;70;80;90A) enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a V att genererandet av olika elektriska fält i olika delar/sektioner eller av ett kontinuerligt varierande elektriskt fält uteslutande ges av mikrovàgsanordningens design, dvs designen på det ferroelektriska substratet och/eller det ledande elektroderna.

16. En mikrovàgsanordning (10;20;30;40;50;9OB) 15, enligt patentkrav k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att sektionerna har olika tjocklekar och plattareor, och att samma spänning appliceras till de olika elektrodsektionerna.

17. En mikrovågsanordning (9OA) enligt något av patentkraven 1- 14, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att genereringen av olika elektriska fält i olika delar/sektioner eller av ett väsentligen kontinuerligt varierande elektriskt fält uteslutande ges av' applicering av olika spänningar till olika delar/sektioner. (90A)

18. En mikrovågsanordning enligt patentkrav 17, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v 10 15 20 25 30 520 018 | » - « u 26 att de elektriskt separata sektionerna har väsentligen samma form, storlek och tjocklek, och att olika spänningar appliceras till olika sektioner. (lO;20;30;40;50;9OA;90B)

19. En ndkrovågsanordning enligt något av patentkraven 1-10, 14-16, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att substratet består av ett ferroelektriskt bulksubstrat, exempelvis av SrTiO@

20. En mikrovågsanordning (60;70;80) enligt något av patentkraven ll-13, k a n n e t e c k n a d d ä r a v att substratet består* av ett ferroelektriskt tunnfilmssubstrat, tex av SrTiOy

21. En mikrovågsanordning (lO;20;30;40;50;60;70;80;90A;9OB) enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att den är så formad och/eller en eller flera spänningar appliceras så att lutningen på kapacitansens beroende på spänning kommer att vara linjärt varvid dC/dV är konstant.

22. Ett forfarande för att (V/C)- styra spänning/kapacitans karaktaristiken for en elektriskt styrbar/avstämbar mikrovågsanordning innefattande ett ferroelektriskt substrat, med en varierbar dielektrisk permittivitet och ledande elektroder anordnade på sagda substrat, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att det innefattar stegen att: - anordna det ferroelektriska substratet och elektroderna på så sätt att anordningen utgörs av åtminstone två sektioner eller delar, 10 15 20 25 30 v-H. , ....:: g- ~ H U ... ... , 1- z .... ...... _, __ - . Q.. z ,,,":v'| . . . . H , 27 - tillhandahålla för applicering av spänning till sektionerna eller delarna så att en annorlunda elektrisk fältstyrka genereras för var och en av sektionerna eller delarna i eller att ett fält anordningen, väsentligen kontinuerligt elektriskt (dC/dV) varierande genereras, for att styra lutningen for kapacitansens spänningsberoende.

23. Forfarandet enligt patentkrav 22, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att det innefattar stegen att: ~ designa substratet och elektroderna på så sätt att sektioner av olika storlek och/eller form bildas, - applicera samma spänning till de olika sektionerna så att olika elektriska fältstyrkor genreras for var och en av sagda sektioner.

24. Förfarandet enligt patentkrav 23, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att det innefattar steget att: - designa substratet och elektroderna på ett sådant sätt att en parallellplattsanordning bildas och så att en forsta sektion har en första (platt) area och en första tjocklek, och for följande sektioner öka tjockleken och arean stegvis eller kontinuerligt.

25. Forfarandet enligt patentkrav 24, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att på en sida av substratet en gemensam elektrodplatta är anordnad och att anordningen består av en parallellplattsresonator eller, ~kondensator.

26. Forfarandet enligt patentkrav 25, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v 10 15 20 25 30 520 018 «.-. u. 28 att det innefattar stegen att: - anordna ett antal elektriskt separata sektioner av samma storlek och form, - applicera olika spänningar till de på samma sätt utformade sektionerna så att for varje sektion ett annorlunda elektriskt fält genereras.

27. Förfarandet enligt patentkrav 22, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att det innefattar steget att: - designa bredden på ett gap mellan plana elektroder anordnade på det ferroelektriska substratet så att vid applicering av en spänning till elektroderna den elektriska fältstyrkan varierar kontinuerligt eller i diskreta steg for att styra (dC/dV)-beroendet för lutningen kapacitansen på den applicerade spänningen.

28. Förfarandet enligt något av patentkraven 22-27, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att det innefattar steget att: - designa substratet och/eller elektroderna så att vid spänningsapplicering kapacitansen varierar linjärt med den applicerade spänningen, dvs dC/dV är konstant.

29. Ett forfarande enligt patentkrav 25, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att det innefattar steget att: substratet och/eller tillhandahålla for ferroelektriska och/eller - designa det elektroderna spänningsapplicering till elektroderna på så sätt att olika elektriska fält genereras i olika delar/sektioner av anordningen, eller så att ett kontinuerligt varierande elektriskt fält genereras, där den elektriska fältstyrkan 10 15 20 25 30 (styrkorna) kurvan som spänningen. 29 styrs för representerar att bestämma | » . - u kapacitansens lutningen (dc/dv) beroende på på