WO2009095446A1 - Capacitor arrangement having a variable capacitance, method for production of the capacitor arrangement and use of the capacitor arrangement - Google Patents

Capacitor arrangement having a variable capacitance, method for production of the capacitor arrangement and use of the capacitor arrangement Download PDF

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WO2009095446A1
WO2009095446A1 PCT/EP2009/051019 EP2009051019W WO2009095446A1 WO 2009095446 A1 WO2009095446 A1 WO 2009095446A1 EP 2009051019 W EP2009051019 W EP 2009051019W WO 2009095446 A1 WO2009095446 A1 WO 2009095446A1
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capacitor
actuator
electrode
capacitor arrangement
arrangement according
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PCT/EP2009/051019
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German (de)
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Inventor
Richard Matz
Carsten Giebeler
Jörg ZAPF
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes

Definitions

  • Capacitor capacitance capacitor assembly Method of fabricating the capacitor assembly, and use of the capacitor assembly
  • the invention relates to a capacitor arrangement with at least one variable-capacitance capacitor (varactor), comprising at least one capacitor electrode, which is arranged on a capacitor carrier, and at least one capacitor counter-electrode, which is opposite to the capacitor electrode on an actuator is arranged in a changeable by means of the actuator capacitor-electrode spacing for adjusting the capacitance.
  • a method for producing and using the capacitor arrangement are specified.
  • a capacitor arrangement with a capacitor whose capacitance can be changed with high quality is required, for example, for a voltage-controlled oscillator circuit (voltage controlled oscillator, VCO).
  • VCO voltage controlled oscillator
  • Such a circuit is used as a generator of reference frequencies and for mixing channel frequencies and carrier frequencies in communications engineering.
  • tunable capacitances are also used for tunable filters in high-frequency and microwave technology.
  • a frequency filter is for example a bandpass filter.
  • the bandpass filter is transmissive to a high frequency signal (passband) within a certain frequency band. This means that an attenuation amount for a high frequency signal within this frequency band is low.
  • the capacitor carrier is for example a LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics), Substrate. On the capacitor carrier, the capacitor electrode is applied.
  • LTCC Low Temperature Cofired Ceramics
  • the actuator of the capacitor assembly is a bending element in the form of a piezoceramic bending transducer, which on the
  • Capacitor carrier is electrically soldered or glued.
  • the bending transducer can be configured as a so-called bimorph.
  • a piezoelectric element consisting of a piezoelectrically active ceramic layer and electrode layers mounted on both sides is firmly connected to a piezoelectrically inactive layer.
  • the piezoelectrically active ceramic layer is deflected.
  • the piezoelectrically inactive layer is not deflected by the activation of the electrode layers of the piezoelectric element. Due to the firm connection between the layers, there is a bending of the bending transducer.
  • the bending transducer is designed and mounted on the capacitor carrier with the aid of solder or adhesive such that one of its electrode layers acts as a capacitor counter electrode. Due to the bending of the bending transducer, the capacitor-electrode distance between see see the capacitor electrode and the capacitor counter electrode. The capacitance of the capacitor changes.
  • the object of the present invention is to provide a variable capacitance capacitor arrangement which is more reliable in comparison with the prior art.
  • a capacitor arrangement is provided with at least one capacitor with variable capacitance, comprising at least one capacitor electrode, which is arranged on a capacitor carrier, and at least one capacitor counter-electrode, which is opposite to the capacitor electrode on an actuator is arranged in a changeable by means of the actuator capacitor-electrode spacing for adjusting the capacitance.
  • the capacitor arrangement is characterized in that at least one connecting means for generating a pressure contact between the capacitor carrier and the actuator is present. The actuator adjusts the capacitor electrode distance. Due to the pressure contact, the actuator is only fixed on the capacitor carrier.
  • a method for producing the capacitor arrangement is also specified with the following method steps: a) providing the capacitor carrier with the capacitor electrode and providing the actuator with the capacitor counterelectrode, b) bringing the capacitor carrier and the actuator together in such a way in that the capacitor electrode and the capacitor counterelectrode are arranged opposite one another, and c) attaching the connection means such that the capacitor carrier and the actuator are connected to one another by means of pressure contact.
  • the actuator for example, a strip-shaped bending transducer is placed on the capacitor carrier and fixed with the connecting means. Electric control of the bending transducer leads to a convex bending. The distance between the capacitor electrode and the capacitor counter electrode changes.
  • the film is laminated. It is also conceivable that the film is glued. The film can be applied completely via the actuator and the capacitor carrier. It is also conceivable that the film only partially covers the actuator and the capacitor carrier.
  • the potting compound can be applied in a structured or unstructured manner.
  • the actuator is an electrically controllable actuator.
  • the capacitor-electrode distance can be adjusted.
  • the electrically controllable actuator for electrical control by means of the connecting means is electrically contacted.
  • the actuator is a bimetal (bimetallic) - actuator.
  • Such an actuator consists for example of two firmly interconnected metal strips of metals with different thermal expansion coefficients.
  • the electrical activation of an actuator electrode causes the heating of an adjacent actuator functional layer that may be electrically isolated from the actuator electrode and, as a result of the heating, causes the actuator to bend.
  • the actuator is a magnetostrictive actuator.
  • By controlling the actuator electrode is in an actuator functional layer of the magnetostrictive actuator magnetic field coupled.
  • the Weiss domains of the magnetostrictive material align themselves.
  • this actuator-functional layer is firmly connected to an actuator functional layer of a non-magnetic material, there is a bending of the actuator.
  • the actuator can operate thermally or magnetostrictively.
  • the actuator is a piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator has at least one piezoelectric element.
  • the piezoelectric element has a piezoelectric layer and electrode layers arranged on both sides (actuator electrodes). By electrical actuation of the actuator electrodes, an electric field is coupled into the piezoelectric layer. It comes to the expansion change in the piezoelectric layer and due to the expansion change to the actuating action of the actuator.
  • the actuator is a piezoelectric bending element (piezoelectric actuator).
  • piezoelectric actuator The configuration of the piezoelectric actuator is arbitrary. It is crucial that the piezoelectrically induced deflection of the actuator is large enough so that a desired change in the distance between the capacitor electrodes can be achieved.
  • a piezoelectric actuator can be used which has a plurality of piezo elements stacked one above the other to form an actuator body. The piezoelectric elements can be glued together. This is suitable, for example, for piezo elements with piezoelectric layers of a piezoelectric polymer such as polyvinylidene difluoride (PVDF).
  • PVDF polyvinylidene difluoride
  • piezoelectric layers made of a piezoceramic material are conceivable.
  • the piezoceramic material is, for example, a lead zirconate titanate (PZT) or a zinc oxide (ZnO).
  • PZT lead zirconate titanate
  • ZnO zinc oxide
  • the piezoelectric elements with piezoelectric layers of piezoceramic material for example, not glued together, but connected in a common sintering process to a Aktorkorper in monolithic multilayer construction.
  • the piezoelectric actuator is a piezoelectric bending transducer. By a relatively low drive voltage, a relatively large deflection can be achieved in the bending transducer.
  • a drive voltage of less than 10 V is sufficient to cause a deflection of the bending transducer of more than 10 ⁇ m. Due to the large achievable deflection, the distance between the capacitor electrode and capacitor counter electrode can be varied within a wide range. This makes it possible to vary the capacitance of the capacitor in a wide range.
  • the bending transducer can, as described above, be designed as a bimorph.
  • a bending transducer in the form of a multimorph which has a plurality of piezoelectrically active layers which are firmly connected to one another.
  • the piezoelectrically active layers can be combined to form a single piezoelement.
  • the piezoelectrically active layers together form the piezoelectric overall layer of the piezoelectric element as stacked partial layers. It is also conceivable that a plurality of piezoelectric elements, each having a piezoelectrically active layer, are arranged to form a multilayer composite.
  • a shape of the bending transducer can also be arbitrary.
  • the bending transducer can be strip-shaped.
  • the bending element has a round base.
  • Such a bending element may be referred to as a circular disk bender.
  • the bending element is self-supporting. It does not have to be specially clamped or held.
  • the electrical actuation of the circular disc bender results in a peripheral peripheral bearing surface. che.
  • Typical dimensions of a circular bending transducer are a few 100 microns as the thickness of the layers and 10 to 20 mm in diameter, whereby a stroke of a few lO ⁇ m is achieved in the center of the bending transducer.
  • the layers of the circular disc bender may be dimensioned thinner in the middle than at the edge.
  • Capacitor can be varied within a wide range.
  • a dielectric with a relative dielectric constant of more than 10 can be arranged within the distance between the capacitor electrode and the capacitor counterelectrode.
  • a dielectric having a dielectric constant greater than 50 is used. This dielectric is referred to as a high dielectric material.
  • the dielectric is arranged in such a way that the electric field which is generated by the driving of the capacitor electrode and the capacitor counterelectrode builds up in the dielectric.
  • the dielectric layer is applied directly and directly to the capacitor electrode or the capacitor counterelectrode. It is also conceivable that in each case a dielectric layer is applied to both capacitor electrodes.
  • the actuator can simply be placed on a surface of the capacitor carrier.
  • the actuator is arranged in a recess (Kavitat) of the capacitor carrier.
  • the bearing surfaces of the Actuator on the capacitor carrier be coated friction, for example, with Teflon or hard nitrides.
  • the described capacitor arrangement with the variable capacitance is used in particular in tunable oscillators.
  • the capacitor arrangement is used to set a voltage-controlled oscillator circuit.
  • the tunable oscillators are used in radio frequency and microwave technology, among others.
  • the capacitor arrangement is also used for setting a frequency band of a frequency filter. Due to the possibility of being able to change a frequency band of a frequency filter by electrical activation of the capacitor arrangement in a wide range, the invention makes it possible to realize a concept of message or mobile radio technology, which is referred to as "software defined radio" (SDR) ,
  • SDR software defined radio
  • the aim of the SDR is to realize non-discrete frequency bands, but arbitrarily (continuously) changeable frequency bands for the message or mobile radio technology.
  • a basic building block for implementing the SDR is provided.
  • the capacitor arrangement is also used for adjusting the impedance of a matching circuit.
  • Impedance matching is required to avoid signal reflections between circuit elements, for example at the input and output of a power amplifier. It is usually realized by suitably combined passive components, in particular coils and capacitors. The function is thus limited to a finite frequency interval. When shifting the operating frequency of a circuit, such as by changing a filter setting, therefore, the impedance adjustments to the new frequency band are tuned.
  • self-modulation of an adjacent signal spectrum by the electrostatic forces acting across the air gap is avoided, and the generation of sub and harmonic waves is suppressed.
  • the capacitor arrangement is particularly suitable for applications with high linearity requirements (for example, base stations of a mobile radio network).
  • the capacitor counterelectrode of the signal circuit can be galvanically isolated from the control circuit.
  • the signal circuit can therefore be designed without functional losses for a high current carrying capacity.
  • a peripheral support of the actuator, especially the disc bender, ensures a stable and symmetrical movement.
  • FIGS. 1 to 7 each show an exemplary embodiment of a capacitor arrangement with capacitors having tunable capacitances, each in a lateral cross section.
  • the exemplary embodiments relate in each case to a capacitor arrangement 100 with variable capacitances, comprising two series-connected capacitors 101 and 102 each having a capacitor electrode 3a and 4a and a capacitor counter electrode 8 arranged opposite the capacitor electrodes in a variable capacitor electrode distance 15 to the capacitor electrodes.
  • the capacitor counter electrode projects beyond the capacitor electrodes.
  • the capacitor electrodes are applied to a capacitor carrier 1, which is preferably made of a dimensionally stable ceramic in solid material or multilayer structure (LTCC, HTCC (High Tempe- Cofired Ceramics).
  • the capacitor electrodes are electrically contacted via the through-contacts (vias) 3 and 4 integrated in the capacitor carrier.
  • a layer 100 of a thickness of a few 100 nm to a few ⁇ m of high-dielectric ceramic in thick-film or thin-film technology is applied.
  • the capacitor counter-electrode is applied to an actuator 103.
  • the actuator is a piezoceramic bending transducer with a circular base (disc bender).
  • the piezoceramic bending transducer is designed as a multimorph and consists of two piezoceramic layers 6 and 7, which are provided for coupling electric fields with electrode layers 9 and 10.
  • the layers are a few 100 ⁇ m thick.
  • the diameter of the bending transducer is 10 mm to 20 mm.
  • Both the capacitor electrodes and the circular disk bender are arranged in a recess (depression) 2 of the capacitor carrier.
  • the circular disc bender lies in the recess on a peripheral support 16 made of Teflon.
  • the pad is made of a hard nitride.
  • the bending transducer is pressed by two spring elements 11 and 12 against the capacitor carrier ( Figure 1).
  • the spring elements act as connection means for generating a pressure contact between the capacitor carrier and the actuator.
  • the spring elements are firmly connected to the capacitor carrier.
  • the spring elements serve for electrical contacting of the electrode layers of the bending transducer.
  • the spring elements are soldered to electrical through contacts 13 and 14 on the capacitor carrier.
  • a force-free bonding contact 17 is sufficient instead of the spring elements 11 and 12 (see Example 1).
  • the bending transducer is fixed to the spring element 18 via the metallic housing cover 19, which is connected to the Uber Dahlring 20 with the substrate screw in.
  • Spring element 18, housing cover 19 and Uber Dahlring 20 together form the connecting means for generating the pressure contact.
  • the electrode layer 10 of the bending transducer is electrically contacted, for example, set to ground potential. The electrical control of the bending transducer then takes place via the voltage applied to the feedthrough 13 electrical voltage.
  • the bending transducer is fixed laterally in the housing cover 19 by means of suitable recesses.
  • the housing cover here consists of a multi-layer board, for example of the usual material FR4 or FR5, with embedded metal surfaces 22 and 23.
  • the spring rings 24, 25 and 26 serve the vertical fixation of the bending element and the capacitor carrier. Housing cover and spring rings act as connecting means for generating the pressure contact.
  • the electrodes 9 and 10 are electrically contacted to supply the control voltage via the spring rings 24 and 25. 4:
  • the connecting means for generating the pressure contact between see the capacitor carrier and the actuator is an elastic film 18 made of silicone.
  • the contacting of the electrode layers of the bending transducer takes place subsequently through the laminated film.
  • contact windows 11 will be opened by laser ablation.
  • the electrical connection of the bending transducer is then achieved by a conductor plane 12 applied to the film.
  • the conductor plane 12 is realized by a metallic structure, which is applied by screen printing of a conductor paste or a conductive adhesive.
  • a less elastic film 18 is used, which is open to reduce the contact pressure over the bending transducer (Figure 6). This can be done, for example, by a stamping process before lamination or by laser ablation after lamination. 7:
  • an elastic potting compound 27 is applied, for example, by a screen-printing process, the depression 2 also being partially filled depending on the viscosity.
  • the structuring can already be achieved by the printing process or subtractive by photolithography or laser ablation.
  • contact windows 19 can also be introduced here, so that the potting compound also acts as a carrier of another conductor plane 12.
  • the conductor level can also be realized by means of an elastic conductive adhesive applied by means of screen printing.
  • control voltages for the bending transducer can be supplied via the plated-through holes 13 and 14.
  • the contacting of the electrode layers of the bending transducer takes place subsequently through the laminated film.
  • contact windows 11 will be opened by laser ablation.
  • the electrical connection of the bending transducer is then achieved by a conductor plane 12 applied to the film.
  • the conductor plane 12 is realized by a metallic structure, which is applied by screen printing.

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Abstract

The invention relates to a capacitor arrangement having at least one capacitor with a variable capacitance (Varactor), having at least one capacitor electrode which is arranged on a capacitor mount, and at least one capacitor opposite electrode, which is arranged opposite the capacitor electrode on an actuating element with a capacitor-electrode separation which can be varied with the aid of the actuating element, in order to adjust the capacitance. The method for production of the capacitor arrangement includes the following method steps: a) provision of the capacitor mount with the capacitor electrode and provision of the actuating element with the capacitor opposite electrode, b) moving the capacitor mount and the actuating element together such that the capacitor electrode and the capacitor opposite electrode are arranged opposite one another, and c) fitting of the connecting means such that the capacitor mount and the actuating element are connected to one another by means of a pressure contact. In particular, the actuating element is a piezoelectric bending transducer in the form of a circular-disc bending element. The bending transducer is placed on the capacitor mount and is only fixed with the connecting means. Convex bending occurs when the bending transducer is driven electrically. The distance between the capacitor electrode and the capacitor opposite electrode varies. The capacitor arrangement is used, for example, in a voltage controlled oscillator (VCO). The capacitor arrangement is used in particular in information technology and mobile radio technology. The capacitor arrangement provides a basic module for the "Software Defined Radio" (SDR) concept.

Description

Beschreibungdescription
Kondensatoranordnung mit veränderbarer Kapazität, Verfahren zum Herstellen der Kondensatoranordnung und Verwendung der KondensatoranordnungCapacitor capacitance capacitor assembly, method of fabricating the capacitor assembly, and use of the capacitor assembly
Die Erfindung betrifft eine Kondensatoranordnung mit mindestens einem Kondensator mit veränderbarer Kapazität (Varac- tor) , aufweisend mindestens eine Kondensator-Elektrode, die auf einem Kondensator-Träger angeordnet ist, und mindestens eine Kondensator-Gegenelektrode, die gegenüber der Kondensator-Elektrode auf einem Stellglied in einem mit Hilfe des Stellgliedes veränderbaren Kondensator-Elektroden-Abstand zum Einstellen der Kapazität angeordnet ist. Daneben werden ein Verfahren zum Herstellen und eine Verwendung der Kondensatoranordnung angegeben.The invention relates to a capacitor arrangement with at least one variable-capacitance capacitor (varactor), comprising at least one capacitor electrode, which is arranged on a capacitor carrier, and at least one capacitor counter-electrode, which is opposite to the capacitor electrode on an actuator is arranged in a changeable by means of the actuator capacitor-electrode spacing for adjusting the capacitance. In addition, a method for producing and using the capacitor arrangement are specified.
Eine Kondensatoranordnung mit einem Kondensator, dessen Kapazität mit hoher Güte veränderbar ist wird beispielsweise für eine spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung (Voltage Con- trolled Oscillator, VCO) benötigt. Eine derartige Schaltung wird als Generator von Referenzfrequenzen und zum Mischen von Kanalfrequenzen und Trägerfrequenzen in der Nachrichtentechnik eingesetzt. Für eine möglichst hohe Frequenzstabilität sind verlustarme Kondensatoren mit hoher Güte erforderlich, die aber gleichzeitig weit abstimmbar sein sollen. Neben der genannten Anwendung werden durchstimmbare Kapazitäten auch für abstimmbare Filter in der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnologie eingesetzt. Ein derartiges Frequenzfilter ist beispielsweise ein Bandpassfilter. Das Bandpassfilter ist innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes durchlässig für ein Hochfrequenzsignal (Durchlassbereich) . Das bedeutet, dass ein Dämpfungsmaß für ein Hochfrequenzsignal innerhalb dieses Frequenzbandes niedrig ist.A capacitor arrangement with a capacitor whose capacitance can be changed with high quality is required, for example, for a voltage-controlled oscillator circuit (voltage controlled oscillator, VCO). Such a circuit is used as a generator of reference frequencies and for mixing channel frequencies and carrier frequencies in communications engineering. For a high frequency stability as possible low-loss capacitors with high quality are required, but at the same time should be widely tuned. In addition to the mentioned application, tunable capacitances are also used for tunable filters in high-frequency and microwave technology. Such a frequency filter is for example a bandpass filter. The bandpass filter is transmissive to a high frequency signal (passband) within a certain frequency band. This means that an attenuation amount for a high frequency signal within this frequency band is low.
Aus der WO 2005/059932 Al ist eine Kondensatoranordnung der eingangs genannten Art bekannt. Der Kondensator-Träger ist beispielsweise ein LTCC (Low Temperatur Cofired Ceramics)- Substrat. Auf dem Kondensator-Träger ist die Kondensator- Elektrode aufgebracht.From WO 2005/059932 Al a capacitor arrangement of the type mentioned is known. The capacitor carrier is for example a LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics), Substrate. On the capacitor carrier, the capacitor electrode is applied.
Das Stellglied der Kondensatoranordnung ist ein Biegelement in Form eines piezokeramischen Biegewandlers, der auf demThe actuator of the capacitor assembly is a bending element in the form of a piezoceramic bending transducer, which on the
Kondensator-Träger elektrisch leitend aufgelötet oder aufgeklebt ist. Der Biegewandler kann als so genannter Bimorph ausgestaltet sein. Bei einem derartigen Biegewandler ist ein Piezoelement, bestehend aus einer piezoelektrisch aktiven Ke- ramikschicht und beidseitig angebrachten Elektrodenschichten, mit einer piezoelektrisch inaktiven Schicht fest verbunden. Durch elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements des Biegewandlers kommt es zur Auslenkung der piezoelektrisch aktiven Keramikschicht. Die piezoelektrisch inaktive Schicht wird dagegen durch die Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements nicht ausgelenkt. Auf Grund der festen Verbindung zwischen den Schichten kommt es zu einer Verbiegung des Biegewandlers.Capacitor carrier is electrically soldered or glued. The bending transducer can be configured as a so-called bimorph. In such a bending transducer, a piezoelectric element consisting of a piezoelectrically active ceramic layer and electrode layers mounted on both sides is firmly connected to a piezoelectrically inactive layer. By electrically driving the electrode layers of the piezoelectric element of the bending transducer, the piezoelectrically active ceramic layer is deflected. By contrast, the piezoelectrically inactive layer is not deflected by the activation of the electrode layers of the piezoelectric element. Due to the firm connection between the layers, there is a bending of the bending transducer.
Der Biegewandler ist derart ausgestaltet und auf den Kondensator-Träger mit Hilfe von Lot oder Klebstoff derart montiert, dass eine seiner Elektrodenschichten als Kondensator- Gegenelektrode fungiert. Aufgrund der Verbiegung des Biegewandlers ändert sich der Kondensator-Elektroden-Abstand zwi- sehen der Kondensator-Elektrode und der Kondensator- Gegenelektrode. Die Kapazität des Kondensators ändert sich.The bending transducer is designed and mounted on the capacitor carrier with the aid of solder or adhesive such that one of its electrode layers acts as a capacitor counter electrode. Due to the bending of the bending transducer, the capacitor-electrode distance between see see the capacitor electrode and the capacitor counter electrode. The capacitance of the capacitor changes.
In Folge einer wiederkehrenden Ansteuerung des Biegewandlers und der dadurch bewirkten Auslenkung kann es zu Ermüdungser- scheinungen in der Verbindung zwischen dem Biegewandler und dem Kondensator-Träger kommen. Es kommt zum Ausfall der Kondensatoranordnung .As a result of recurrent activation of the bending transducer and the deflection caused thereby, fatigue phenomena may occur in the connection between the bending transducer and the capacitor carrier. It comes to the failure of the capacitor arrangement.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kondensator- anordnung mit veränderbarer Kapazität anzugeben, die im Vergleich zum Stand der Technik zuverlässiger ist. Zur Lösung der Aufgabe wird eine Kondensatoranordnung mit mindestens einem Kondensator mit veränderbarer Kapazität angegeben, aufweisend mindestens eine Kondensator-Elektrode, die auf einem Kondensator-Träger angeordnet ist, und mindes- tens eine Kondensator-Gegenelektrode, die gegenüber der Kondensator-Elektrode auf einem Stellglied in einem mit Hilfe des Stellgliedes veränderbaren Kondensator-Elektroden-Abstand zum Einstellen der Kapazität angeordnet ist. Die Kondensatoranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbindungsmittel zum Erzeugen eines Druckkontakts zwischen dem Kondensator-Träger und dem Stellglied vorhanden ist. Durch das Stellglied wird der Kondensatorelektroden-Abstand eingestellt. Durch den Druckkontakt ist das Stellglied lediglich auf dem Kondensator-Träger fixiert.The object of the present invention is to provide a variable capacitance capacitor arrangement which is more reliable in comparison with the prior art. To achieve the object, a capacitor arrangement is provided with at least one capacitor with variable capacitance, comprising at least one capacitor electrode, which is arranged on a capacitor carrier, and at least one capacitor counter-electrode, which is opposite to the capacitor electrode on an actuator is arranged in a changeable by means of the actuator capacitor-electrode spacing for adjusting the capacitance. The capacitor arrangement is characterized in that at least one connecting means for generating a pressure contact between the capacitor carrier and the actuator is present. The actuator adjusts the capacitor electrode distance. Due to the pressure contact, the actuator is only fixed on the capacitor carrier.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen der Kondensatoranordnung mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen des Kondensator-Trägers mit der Kondensator-Elektrode und Bereitstellen des Stellglieds mit der Kondensator-Gegenelektrode, b) Zusammenbringen des Kondensator-Trägers und des Stellglieds derart, dass die Kondensator-Elektrode und die Kondensator-Gegenelektrode einander gegenüberliegend angeordnet sind, und c) Anbringen des Verbindungsmittels derart, dass der Kondensator-Träger und das Stellglied mittels Druckkontakt miteinander verbunden sind.To achieve the object, a method for producing the capacitor arrangement is also specified with the following method steps: a) providing the capacitor carrier with the capacitor electrode and providing the actuator with the capacitor counterelectrode, b) bringing the capacitor carrier and the actuator together in such a way in that the capacitor electrode and the capacitor counterelectrode are arranged opposite one another, and c) attaching the connection means such that the capacitor carrier and the actuator are connected to one another by means of pressure contact.
Das Stellglied, beispielsweise ein streifenförmiger Biegewandler, wird auf den Kondensator-Träger gelegt und mit dem Verbindungsmittel fixiert. Durch elektrische Ansteuerung des Biegewandlers kommt es zu einer konvexen Verbiegung. Der Abstand zwischen Kondensatorelektrode und Kondensator- Gegenelektrode ändert sich.The actuator, for example, a strip-shaped bending transducer is placed on the capacitor carrier and fixed with the connecting means. Electric control of the bending transducer leads to a convex bending. The distance between the capacitor electrode and the capacitor counter electrode changes.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist das Verbindungs- mittel zum Erzeugen des Druckkontaktes mindestens ein Federelement auf, durch das der Kondensator-Träger und das Stellglied gegeneinander gedrückt werden, so dass der Druckkontakt entsteht . Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Verbindungsmittel zum Erzeugen des Druckkontaktes mindestens eine Folie auf, durch die der Kondensator-Träger und das Stellglied ge- geneinander gedrückt werden, so dass der Druckkontakt entsteht. Die Folie wird auflaminiert . Denkbar ist auch, dass die Folie aufgeklebt wird. Die Folie kann dabei komplett über das Stellglied und den Kondensator-Träger aufgebracht werden. Denkbar ist auch, dass die Folie nur teilweise das Stellglied und den Kondensatorträger bedeckt.According to a particular embodiment, the connecting means for generating the pressure contact on at least one spring element, by which the capacitor carrier and the actuator are pressed against each other, so that the pressure contact is formed. According to a further embodiment, the connecting means for generating the pressure contact on at least one film, through which the capacitor carrier and the actuator are pressed against each other, so that the pressure contact is formed. The film is laminated. It is also conceivable that the film is glued. The film can be applied completely via the actuator and the capacitor carrier. It is also conceivable that the film only partially covers the actuator and the capacitor carrier.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Verbindungsmittel zum Erzeugen des Druckkontaktes mindestens eine Formmasse auf, durch die der Kondensator-Träger und das Stellglied ge- geneinander gedrückt werden, so dass der Druckkontakt entsteht. Dazu kann die Vergussmasse strukturiert oder unstrukturiert aufgebracht werden.In a further embodiment, the connecting means for generating the pressure contact on at least one molding compound, through which the capacitor carrier and the actuator are pressed against each other, so that the pressure contact is formed. For this purpose, the potting compound can be applied in a structured or unstructured manner.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist das Stellglied ein elektrisch ansteuerbares Stellglied. Durch die elektrischeAccording to a particular embodiment, the actuator is an electrically controllable actuator. By the electric
Ansteuerung des Stellgliedes kann der Kondensator-Elektroden- Abstand eingestellt werden. Vorzugsweise ist das elektrisch ansteuerbare Stellglied zur elektrischen Ansteuerung mit Hilfe des Verbindungsmittels elektrisch kontaktiert.Actuation of the actuator, the capacitor-electrode distance can be adjusted. Preferably, the electrically controllable actuator for electrical control by means of the connecting means is electrically contacted.
Beispielsweise ist das Stellglied ein Bimetall (Thermobimetall) - Aktor. Ein derartiger Aktor besteht beispielsweise aus zwei fest miteinander verbundenen Metallstreifen aus Metallen mit unterschiedlichen thermischen Aus- dehnungskoeffizienten . Durch die elektrische Ansteuerung einer Aktorelektrode kommt es zur Erwärmung einer angrenzenden, eventuell von der Aktorelektrode elektrisch isolierten Aktor- Funktionsschicht und in Folge der Erwärmung zur Verbiegung des Aktors.For example, the actuator is a bimetal (bimetallic) - actuator. Such an actuator consists for example of two firmly interconnected metal strips of metals with different thermal expansion coefficients. The electrical activation of an actuator electrode causes the heating of an adjacent actuator functional layer that may be electrically isolated from the actuator electrode and, as a result of the heating, causes the actuator to bend.
Denkbar ist auch, dass das Stellglied ein magnetostriktiver Aktor ist. Durch die Ansteuerung der Aktorelektrode wird in eine Aktor-Funktionsschicht des magnetostriktiven Aktors ein magnetisches Feld eingekoppelt. Die Weißschen Bezirke des ma- gnetostriktiven Materials richten sich aus. In Folge davon kommt es zur Ausdehnungsanderung der Aktor-Funktionsschicht. Wenn nun diese Aktor-Funktionsschicht mit einer Aktor- Funktionsschicht aus einem nicht-magnetischen Material fest verbunden ist, kommt es zu einer Verbiegung des Aktors. Wie bei der Beschreibung der Aktor-Funktionsschicht bereits angedeutet, kann der Aktor thermisch oder magnetostriktiv arbeiten. In einer besonderen Ausgestaltung ist der Aktor ein piezoelektrischer Aktor. Der piezoelektrische Aktor verfugt über mindestens ein Piezoelement . Das Piezoelement weist eine piezoelektrische Schicht auf und beidseitig angeordnete Elektrodenschichten (Aktorelektroden) auf. Durch elektrische Ansteuerung der Aktorelektroden wird in die piezoelektrische Schicht ein elektrisches Feld eingekoppelt. Es kommt zur Ausdehnungsanderung in der piezoelektrischen Schicht und aufgrund der Ausdehnungsanderung zur Stellwirkung des Aktors.It is also conceivable that the actuator is a magnetostrictive actuator. By controlling the actuator electrode is in an actuator functional layer of the magnetostrictive actuator magnetic field coupled. The Weiss domains of the magnetostrictive material align themselves. As a result of this, there is an expansion of the actuator functional layer. Now, if this actuator-functional layer is firmly connected to an actuator functional layer of a non-magnetic material, there is a bending of the actuator. As already indicated in the description of the actuator functional layer, the actuator can operate thermally or magnetostrictively. In a particular embodiment, the actuator is a piezoelectric actuator. The piezoelectric actuator has at least one piezoelectric element. The piezoelectric element has a piezoelectric layer and electrode layers arranged on both sides (actuator electrodes). By electrical actuation of the actuator electrodes, an electric field is coupled into the piezoelectric layer. It comes to the expansion change in the piezoelectric layer and due to the expansion change to the actuating action of the actuator.
Vorzugsweise ist das Stellglied ein piezoelektrisches Bieg- element (piezoelektrischer Aktor) . Die Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktors ist beliebig. Entscheidend ist, dass die piezoelektrisch induzierte Auslenkung des Aktors groß genug ist, so dass eine gewünschte Änderung des Abstandes zwischen den Kondensatorelektroden erzielt werden kann. Um eine relativ große Auslenkung zu erzielen, kann ein piezoelektrischer Aktor verwendet werden, der eine Vielzahl von übereinander zu einem Aktorkorper gestapelten Piezoelementen aufweist. Die Piezoelemente können dabei zusammengeklebt sein. Dies bietet sich beispielsweise für Piezoelemente mit piezo- elektrischen Schichten aus einem piezoelektrischen Polymer wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) an. Ebenso sind piezoelektrische Schichten aus einem piezokeramischen Material denkbar. Das piezokeramische Material ist beispielsweise ein Bleizir- konattitanat (PZT) oder ein Zinkoxid (ZnO) . Die Piezoelemente mit piezoelektrischen Schichten aus piezokeramischem Material sind beispielsweise nicht zusammengeklebt, sondern in einem gemeinsamen Sinterprozess zu einem Aktorkorper in monolithischer Vielschichtbauweise verbunden. In einer besonderen Ausgestaltung ist der piezoelektrische Aktor ein piezoelektrischer Biegewandler. Durch eine relativ geringe Ansteuerspannung kann bei dem Biegwandler eine rela- tiv große Auslenkung erzielt werden. So genügt beispielsweise eine Ansteuerspannung von unter 10 V, um eine Auslenkung des Biegewandlers von über 10 μm zu bewirken. Durch die große erzielbare Auslenkung kann der Abstand zwischen Kondensatorelektrode und Kondensatorgegenelektrode in einem weiten Be- reich variiert werden. Dadurch ist es möglich, die Kapazität des Kondensators in einem weiten Bereich zu verändern.Preferably, the actuator is a piezoelectric bending element (piezoelectric actuator). The configuration of the piezoelectric actuator is arbitrary. It is crucial that the piezoelectrically induced deflection of the actuator is large enough so that a desired change in the distance between the capacitor electrodes can be achieved. In order to achieve a relatively large deflection, a piezoelectric actuator can be used which has a plurality of piezo elements stacked one above the other to form an actuator body. The piezoelectric elements can be glued together. This is suitable, for example, for piezo elements with piezoelectric layers of a piezoelectric polymer such as polyvinylidene difluoride (PVDF). Likewise, piezoelectric layers made of a piezoceramic material are conceivable. The piezoceramic material is, for example, a lead zirconate titanate (PZT) or a zinc oxide (ZnO). The piezoelectric elements with piezoelectric layers of piezoceramic material, for example, not glued together, but connected in a common sintering process to a Aktorkorper in monolithic multilayer construction. In a particular embodiment, the piezoelectric actuator is a piezoelectric bending transducer. By a relatively low drive voltage, a relatively large deflection can be achieved in the bending transducer. For example, a drive voltage of less than 10 V is sufficient to cause a deflection of the bending transducer of more than 10 μm. Due to the large achievable deflection, the distance between the capacitor electrode and capacitor counter electrode can be varied within a wide range. This makes it possible to vary the capacitance of the capacitor in a wide range.
Der Biegewandler kann, wie eingangs beschrieben, als Bimorph ausgestaltet sein. Alternativ zum Bimorph ist auch ein Biege- wandler in Form eines Multimorphs denkbar, der mehrere piezoelektrisch aktive Schichten aufweist, die fest miteinander verbunden sind. Die piezoelektrisch aktiven Schichten können zu einem einzigen Piezoelement zusammengefasst sein. Die piezoelektrisch aktiven Schichten bilden als übereinander gesta- pelte Teilschichten zusammen die piezoelektrische Gesamtschicht des Piezoelements . Denkbar ist auch, dass mehrere Piezoelemente mit jeweils einer piezoelektrisch aktiven Schicht zu einem Mehrschichtverbund angeordnet sind. Durch die Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements be- ziehungsweise der Piezoelemente des Biegewandlers werden in den piezoelektrisch aktiven Schichten unterschiedliche elektrische Felder aufgebaut, die zu unterschiedlichen Auslenkungen der piezoelektrisch aktiven Schichten führen. Auch in diesem Fall kommt es zu einer Verbiegung des Biegewandlers.The bending transducer can, as described above, be designed as a bimorph. As an alternative to the bimorph, a bending transducer in the form of a multimorph is conceivable, which has a plurality of piezoelectrically active layers which are firmly connected to one another. The piezoelectrically active layers can be combined to form a single piezoelement. The piezoelectrically active layers together form the piezoelectric overall layer of the piezoelectric element as stacked partial layers. It is also conceivable that a plurality of piezoelectric elements, each having a piezoelectrically active layer, are arranged to form a multilayer composite. By controlling the electrode layers of the piezoelectric element or of the piezoelectric elements of the bending transducer, different electrical fields are built up in the piezoelectrically active layers, which lead to different deflections of the piezoelectrically active layers. Also in this case, there is a bending of the bending transducer.
Eine Form des Biegewandlers kann ebenfalls beliebig sein. Der Biegewandler kann streifenförmig sein. In einer besonderen Ausgestaltung weist das Biegelement eine runde Grundfläche aufweist. Ein derartiges Biegelement kann als Kreisscheiben- bieger bezeichnet werden. Vorzugsweise ist das Biegeelement selbsttragend. Es muss nicht speziell eingespannt oder gehalten werden. Durch die elektrische Ansteuerung des Kreisschei- benbiegers resultiert eine umlaufende, periphäre Auflageflä- che. Typische Abmessungen eines kreisförmigen Biegewandlers sind einige 100 μm als Dicke der Schichten und 10 bis 20 mm als Durchmesser, wodurch ein Hub von einigen lOμm im Zentrum des Biegewandlers erreicht wird. Zur Erhöhung des Hubs bei der Aktuierung (elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten) können die Schichten des Kreisscheibenbiegers in der Mitte dunner als am Rand dimensioniert sein. Um möglichst dicke, stromtragfahige Kondensator-Gegenelektroden verwenden zu können, kann es außerdem vorteilhaft sein, die Elektroden- schichten des Biegewandlers (Steuerelektroden) in der Mitte zu unterbrechen, so dass hier eine verminderte Biegung auftritt.A shape of the bending transducer can also be arbitrary. The bending transducer can be strip-shaped. In a particular embodiment, the bending element has a round base. Such a bending element may be referred to as a circular disk bender. Preferably, the bending element is self-supporting. It does not have to be specially clamped or held. The electrical actuation of the circular disc bender results in a peripheral peripheral bearing surface. che. Typical dimensions of a circular bending transducer are a few 100 microns as the thickness of the layers and 10 to 20 mm in diameter, whereby a stroke of a few lOμm is achieved in the center of the bending transducer. To increase the stroke during the actuation (electrical control of the electrode layers), the layers of the circular disc bender may be dimensioned thinner in the middle than at the edge. In order to be able to use as thick as possible current-carrying capacitor counterelectrodes, it may also be advantageous to interrupt the electrode layers of the bending transducer (control electrodes) in the middle, so that a reduced bending occurs here.
Allein durch die Änderung des Abstandes von Kondensatorelekt- rode zur Kondensatorgegenelektrode kann die Kapazität desSimply by changing the distance from the capacitor element to the capacitor counter electrode, the capacitance of the capacitor can be reduced
Kondensators in einem weiten Bereich variiert werden. Um diesen Bereich zu erhohen, kann in einer besonderen Ausgestaltung innerhalb des Abstandes zwischen der Kondensatorelektrode und der Kondensatorgegenelektrode ein Dielektrikum mit ei- ner relativen Dielektrizitätskonstante von über 10 angeordnet werden. Vorzugsweise wird ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante von über 50 verwendet. Dieses Dielektrikum wird als hochdielektrisches Material bezeichnet.Capacitor can be varied within a wide range. In order to increase this range, in a particular embodiment, a dielectric with a relative dielectric constant of more than 10 can be arranged within the distance between the capacitor electrode and the capacitor counterelectrode. Preferably, a dielectric having a dielectric constant greater than 50 is used. This dielectric is referred to as a high dielectric material.
Das Dielektrikum wird dabei so angeordnet, dass sich das elektrische Feld, das durch die Ansteuerung der Kondensatorelektrode und der Kondensatorgegenelektrode erzeugt wird, im Dielektrikum aufbaut. Dazu wird die dielektrische Schicht unmittelbar und direkt auf der Kondensatorelektrode oder der Kondensatorgegenelektrode aufgebracht. Denkbar ist auch, dass auf beiden Kondensatorelektroden jeweils eine dielektrische Schicht aufgebracht ist.In this case, the dielectric is arranged in such a way that the electric field which is generated by the driving of the capacitor electrode and the capacitor counterelectrode builds up in the dielectric. For this purpose, the dielectric layer is applied directly and directly to the capacitor electrode or the capacitor counterelectrode. It is also conceivable that in each case a dielectric layer is applied to both capacitor electrodes.
Das Stellglied kann einfach auf eine Oberflache des Kondensa- tor-Tragers gelegt werden. Vorzugsweise wird das Stellglied in einer Ausnehmung (Kavitat) des Kondensator-Tragers angeordnet. Zur Erhöhung der Lebensdauer und Verminderung von Reibungsverlusten und Hysterese können die Auflageflachen des Stellgliedes auf dem Kondensator-Träger reibungsarm beschichtet sein, z.B. mit Teflon oder harten Nitriden.The actuator can simply be placed on a surface of the capacitor carrier. Preferably, the actuator is arranged in a recess (Kavitat) of the capacitor carrier. To increase the life and reduce friction losses and hysteresis, the bearing surfaces of the Actuator on the capacitor carrier be coated friction, for example, with Teflon or hard nitrides.
Die beschriebene Kondensatoranordnung mit der veränderbaren Kapazität wird insbesondere in abstimmbaren Oszillatoren verwendet. Mit Hilfe der Kondensatoranordnung erfolgt ein Einstellen einer spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung. Die abstimmbaren Oszillatoren werden unter anderem in der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnologie eingesetzt.The described capacitor arrangement with the variable capacitance is used in particular in tunable oscillators. The capacitor arrangement is used to set a voltage-controlled oscillator circuit. The tunable oscillators are used in radio frequency and microwave technology, among others.
Vorzugsweise wird die Kondensatoranordnung auch zum Einstellen eines Frequenzbandes eines Frequenzfilters verwendet. Durch die Möglichkeit, ein Frequenzband eines Frequenzfilters durch elektrische Ansteuerung der Kondensatoranordnung in ei- nem weiten Bereich verändern zu können, ist mit Hilfe der Erfindung ein Konzept der Nachrichten- bzw. Mobilfunktechnik realisierbar, das als "Software Defined Radio" (SDR) bezeichnet wird. Ziel des SDR ist es, nicht diskrete Frequenzbänder, sondern beliebig (kontinuierlich) veränderbare Frequenzbänder für die Nachrichten- bzw. Mobilfunktechnik zu realisieren. Mit dem abstimmbaren Kondensator der vorliegenden Erfindung wird ein Grundbaustein zur Umsetzung des SDR zur Verfügung gestellt .Preferably, the capacitor arrangement is also used for setting a frequency band of a frequency filter. Due to the possibility of being able to change a frequency band of a frequency filter by electrical activation of the capacitor arrangement in a wide range, the invention makes it possible to realize a concept of message or mobile radio technology, which is referred to as "software defined radio" (SDR) , The aim of the SDR is to realize non-discrete frequency bands, but arbitrarily (continuously) changeable frequency bands for the message or mobile radio technology. With the tunable capacitor of the present invention, a basic building block for implementing the SDR is provided.
Vorzugsweise wird die Kondensatoranordnung auch zum Einstellen der Impedanz einer Anpass-Schaltung verwendet. Impedanzanpassung ist zur Vermeidung von Signalreflexionen zwischen Schaltungselementen erforderlich, beispielsweise am Eingang und Ausgang eines Leistungsverstärkers. Sie wird üblicherwei- se durch geeignet kombinierte passive Bauteile, insbesondere Spulen und Kondensatoren realisiert. Die Funktion ist damit auf ein endliches Frequenzintervall begrenzt. Bei der Verschiebung der Betriebsfrequenz einer Schaltung, etwa durch Veränderung einer Filtereinstellung, sind deshalb auch die Impedanzanpassungen auf das neue Frequenzband abzustimmen.Preferably, the capacitor arrangement is also used for adjusting the impedance of a matching circuit. Impedance matching is required to avoid signal reflections between circuit elements, for example at the input and output of a power amplifier. It is usually realized by suitably combined passive components, in particular coils and capacitors. The function is thus limited to a finite frequency interval. When shifting the operating frequency of a circuit, such as by changing a filter setting, therefore, the impedance adjustments to the new frequency band are tuned.
Zusammengefasst sind folgende Vorteil der Erfindung hervorzuheben : • Insbesondere bei Verwendung eines Kondensators mit hochdielektrischer Schicht zwischen den Kondensatorelektroden resultiert ein Kondensator mit weitem Abstimmbereich. Durch die hoch dielektrische Schicht des Kondensators steigert sich der maximale Kapazitätswert, so dass ein weites Abstimmverhältnis über 10:1 erzielbar ist.In summary, the following advantages of the invention should be emphasized: • Especially when using a capacitor with a high-dielectric layer between the capacitor electrodes results in a capacitor with a wide tuning range. Due to the high dielectric layer of the capacitor increases the maximum capacitance value, so that a wide tuning ratio over 10: 1 can be achieved.
• Der Verzicht auf absorbierende oder nicht-lineare Werk- Stoffe bewirkt ein verlustarmes und hoch lineares Bauelementverhalten. Dies wäre bei Verwendung von abstimmbaren Dielektrika (paraelektrische Werkstoffe) nicht möglich.• The absence of absorbent or non-linear materials results in low-loss and highly linear component behavior. This would not be possible with the use of tunable dielectrics (paraelectric materials).
• Eine makroskopische Bauweise und eine große Masse des Stellgliedes, insbesondere eines Biegewandlers, bedingen eine besonders niedrige mechanische Resonanzfrequenz von wenigen kHz. Eine Selbstmodulation eines anliegenden Signalspektrums durch die über den Luftspalt wirkenden elektrostatischen Kräfte wird dadurch im Unterschied zu konven- tionellen MEMS vermieden und die Generierung von Unter- und Oberwellen unterdrückt. Dadurch eignet sich die Kondensatoranordnung insbesondere für Anwendungsfälle mit hohen Linearitätsanforderungen (z.B. Basisstationen eines Mobilfunknetzes) .• A macroscopic design and a large mass of the actuator, in particular a bending transducer, require a particularly low mechanical resonance frequency of a few kHz. In contrast to conventional MEMS, self-modulation of an adjacent signal spectrum by the electrostatic forces acting across the air gap is avoided, and the generation of sub and harmonic waves is suppressed. As a result, the capacitor arrangement is particularly suitable for applications with high linearity requirements (for example, base stations of a mobile radio network).
• Die Kondensatorgegenelektrode des Signalkreises kann galvanisch vom Steuerkreis getrennt werden. Der Signalkreis kann daher ohne funktionelle Einbußen für eine hohe Stromtragfähigkeit ausgelegt werden.• The capacitor counterelectrode of the signal circuit can be galvanically isolated from the control circuit. The signal circuit can therefore be designed without functional losses for a high current carrying capacity.
• Eine periphere Auflage des Stellgliedes, insbesondere des Kreisscheibenbiegers, gewährleistet eine stabile und symmetrische Bewegung.• A peripheral support of the actuator, especially the disc bender, ensures a stable and symmetrical movement.
• Mit der Erfindung ist eine einfache Montage und elektrische Kontaktierung möglich. • Die Folienverbindung gewährleistet eine einfache Fixierung des Stellgliedes und ggf. eine hermetische Abdichtung.• With the invention, a simple assembly and electrical contact is possible. • The foil connection ensures easy fixation of the actuator and, if necessary, a hermetic seal.
• Im nicht angesteuerten Zustand des Stellgliedes ist bei Verwendung der dielektrischen Schicht eine bestmögliche, kurzschlussfreie Auflage der Kondensatorgegenelektrode auf der dielektrischen Schicht realisiert.In the non-activated state of the actuator, the best possible short-circuit-free contact of the capacitor counter-electrode on the dielectric layer is realized when using the dielectric layer.
• Die Herstellung des Bauelementes kann kostengünstig im Nutzen erfolgen.• The manufacture of the device can be cost-effective in use.
• Es können kostengünstige Prozesstechnologien wie z.B. Siebdruck und/oder Laminieren angewendet werden• Cost-effective process technologies, such as Screen printing and / or lamination can be applied
• Mit Hilfe der Kondensatoranordnung wird ein wesentlicher Baustein des SDR-Konzepts bereitgestellt.• With the help of the capacitor arrangement, an essential element of the SDR concept is provided.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.Reference to several embodiments and the associated figures, the invention will be explained in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale figures.
Die Figuren 1 bis 7 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel einer Kondensatoranordnung mit Kondensatoren mit abstimmbaren Kapazitäten jeweils in einem seitlichen Querschnitt.FIGS. 1 to 7 each show an exemplary embodiment of a capacitor arrangement with capacitors having tunable capacitances, each in a lateral cross section.
Die Ausführungsbeispiele betreffen jeweils eine Kondensatoranordnung 100 mit veränderbaren Kapazitäten, aufweisend zwei in Serie geschaltete Kondensatoren 101 und 102 mit je einer Kondensatorelektrode 3a und 4a und einer gegenüber den Kondensatorelektroden in einem veränderbaren Kondensatorelektro- den-Abstand 15 zu den Kondensatorelektroden angeordnete Kondensator-Gegenelektrode 8. Die Kondensator-Gegenelektrode überragt die Kondensatorelektroden.The exemplary embodiments relate in each case to a capacitor arrangement 100 with variable capacitances, comprising two series-connected capacitors 101 and 102 each having a capacitor electrode 3a and 4a and a capacitor counter electrode 8 arranged opposite the capacitor electrodes in a variable capacitor electrode distance 15 to the capacitor electrodes. The capacitor counter electrode projects beyond the capacitor electrodes.
Die Kondensatorelektroden sind auf einem Kondensator-Träger 1 aufgebracht, der vorzugsweise aus einer formstabilen Keramik in Vollmaterial oder Mehrlagenaufbau (LTCC, HTCC (High Tempe- ratur Cofired Ceramics) ) besteht. Die Kondensatorelektroden sind über die im Kondensator-Träger integrierten Durchkontak- tierungen (Vias) 3 und 4 elektrisch kontaktiert. Auf den Kondensatorelektroden ist eine einige 100 nm bis einige μm dicke Schicht 5 aus hoch dielektrischer Keramik in Dickschichtoder Dünnschichttechnologie aufgebracht.The capacitor electrodes are applied to a capacitor carrier 1, which is preferably made of a dimensionally stable ceramic in solid material or multilayer structure (LTCC, HTCC (High Tempe- Cofired Ceramics). The capacitor electrodes are electrically contacted via the through-contacts (vias) 3 and 4 integrated in the capacitor carrier. On the capacitor electrodes, a layer 100 of a thickness of a few 100 nm to a few μm of high-dielectric ceramic in thick-film or thin-film technology is applied.
Die Kondensator-Gegenelektrode ist auf einem Stellglied 103 aufgebracht. Das Stellglied ist ein piezokeramischer Biege- wandler mit einer runden Grundfläche (Kreisscheibenbieger) . Der piezokeramische Biegewandler ist als Multimorph ausgestaltet und besteht aus zwei piezokeramischen Schichten 6 und 7, die zum Einkoppeln elektrischer Felder mit Elektrodenschichten 9 und 10 versehen sind. Die Schichten sind einige 100 μm dick. Der Durchmesser die Biegewandlers beträgt 10 mm bis 20 mm.The capacitor counter-electrode is applied to an actuator 103. The actuator is a piezoceramic bending transducer with a circular base (disc bender). The piezoceramic bending transducer is designed as a multimorph and consists of two piezoceramic layers 6 and 7, which are provided for coupling electric fields with electrode layers 9 and 10. The layers are a few 100 μm thick. The diameter of the bending transducer is 10 mm to 20 mm.
Sowohl die Kondensatorelektroden als auch der Kreisscheibenbieger sind, mit Ausnahme des Beispiels 3, in einer Ausneh- mung (Vertiefung) 2 des Kondensator-Trägers angeordnet. Der Kreisscheibenbieger liegt dabei in der Ausnehmung auf einer umlaufenden Auflage 16 aus Teflon auf. Alternativ dazu ist die Auflage aus einem harten Nitrid.Both the capacitor electrodes and the circular disk bender, with the exception of example 3, are arranged in a recess (depression) 2 of the capacitor carrier. The circular disc bender lies in the recess on a peripheral support 16 made of Teflon. Alternatively, the pad is made of a hard nitride.
Beispiel 1:Example 1:
Der Biegewandler wird durch zwei Federelemente 11 und 12 gegen den Kondensatorträger gedrückt (Figur 1). Die Federelemente fungieren als Verbindungsmittel zum Erzeugen eines Druckkontakts zwischen dem Kondensator-Träger und dem Stellglied. Die Federelemente sind fest mit dem Kondensator-Träger verbunden. Gleichzeitig dienen die Federelemente der elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten des Biegewandlers. Dazu sind die Federelemente an elektrischen Durchkon- taktierungen 13 und 14 auf den Kondensatorträger aufgelötet.The bending transducer is pressed by two spring elements 11 and 12 against the capacitor carrier (Figure 1). The spring elements act as connection means for generating a pressure contact between the capacitor carrier and the actuator. The spring elements are firmly connected to the capacitor carrier. At the same time, the spring elements serve for electrical contacting of the electrode layers of the bending transducer. For this purpose, the spring elements are soldered to electrical through contacts 13 and 14 on the capacitor carrier.
Ohne elektrische Ansteuerung liegt der Biegewandler aufgrund des Federdrucks, der von Federelementen 11 und 12 ausgeht, mit der Kondensatorelektrode 8 flach auf der dielektrischen Schicht 5. Die seriell geschalteten Kondensatoren 101 und 102 nehmen dabei maximale Werte an.Without electrical control of the bending transducer is due to the spring pressure, which starts from spring elements 11 and 12, with the capacitor electrode 8 flat on the dielectric layer 5. The series-connected capacitors 101 and 102 assume maximum values.
Durch elektrische Ansteuerung kommt es zur Verbiegung desBy electrical control, it comes to the bending of the
Biegewandlers. Es bildet sich jeweils ein Luftspalt zwischen den Kondensatorelektroden und der Kondensatorgegenelektrode. Die Kapazitäten der Kondensatoren nehmen ab.Bender. In each case, an air gap is formed between the capacitor electrodes and the capacitor counterelectrode. The capacities of the capacitors decrease.
Beispiel 2:Example 2:
Im zweiten Ausfuhrungsbeispiel (Figur 2) genügt statt der Federelemente 11 und 12 (vgl. Beispiel 1) ein kraftefreier Bondkontakt 17. Die Fixierung des Biegewandlers erfolgt mit dem Federelement 18 über den metallischen Gehausedeckel 19, der sich mit einem Uberwurfring 20 mit dem Substrat 1 ver- schrauben lasst. Federelement 18, Gehausedeckel 19 und Uberwurfring 20 bilden zusammen das Verbindungsmittel zum Erzeugen des Druckkontakts. Über einen Kontaktstift 21, den metal- lischen Gehausedeckel und das Federelement wird die Elektrodenschicht 10 des Biegewandlers elektrisch kontaktiert, beispielsweise auf Masse-Potential gelegt. Die elektrische Ansteuerung des Biegewandlers erfolgt dann über die an der Durchkontaktierung 13 anliegende elektrische Spannung.In the second exemplary embodiment (FIG. 2), a force-free bonding contact 17 is sufficient instead of the spring elements 11 and 12 (see Example 1). The bending transducer is fixed to the spring element 18 via the metallic housing cover 19, which is connected to the Uberwurfring 20 with the substrate screw in. Spring element 18, housing cover 19 and Uberwurfring 20 together form the connecting means for generating the pressure contact. Via a contact pin 21, the metallic housing cover and the spring element, the electrode layer 10 of the bending transducer is electrically contacted, for example, set to ground potential. The electrical control of the bending transducer then takes place via the voltage applied to the feedthrough 13 electrical voltage.
Beispiel 3:Example 3:
Gemäß diesem Ausfuhrungsbeispiel (Figur 3) wird der Biegewandler durch passende Aussparungen lateral im Gehausedeckel 19 fixiert. Der Gehausedeckel besteht hier aus einer Multi- layer-Platine, z.B. aus dem üblichen Werkstoff FR4 oder FR5, mit eingelagerten Metallflachen 22 und 23. Die Federringe 24, 25 und 26 dienen der vertikalen Fixierung des Biegelements und des Kondensator-Tragers. Gehausedeckel und Federringe fungieren als Verbindungsmittel zum Erzeugen des Druckkontakts. Die Elektroden 9 und 10 sind zur Zufuhrung der Steuerspannung über die Federringe 24 und 25 elektrisch kontaktiert. Be i spie l 4 :According to this exemplary embodiment (FIG. 3), the bending transducer is fixed laterally in the housing cover 19 by means of suitable recesses. The housing cover here consists of a multi-layer board, for example of the usual material FR4 or FR5, with embedded metal surfaces 22 and 23. The spring rings 24, 25 and 26 serve the vertical fixation of the bending element and the capacitor carrier. Housing cover and spring rings act as connecting means for generating the pressure contact. The electrodes 9 and 10 are electrically contacted to supply the control voltage via the spring rings 24 and 25. 4:
Das Verbindungsmittel zum Erzeugen des Druckkontaktes zwi- sehen dem Kondensator-Träger und dem Stellglied ist eine elastische Folie 18 aus Silikon.The connecting means for generating the pressure contact between see the capacitor carrier and the actuator is an elastic film 18 made of silicone.
Nach Positionierung und Kontaktierung des Biegewandlers über Kontaktbänder 17 wird auf den Kondensator-Träger und den Bie- gewandler auflaminiert . Gemäß einer ersten Ausführungsform erfolgt dies derart, dass auf einer gesamten Fläche des Kondensator-Trägers und des Biegewandlers eine Verklebung aufgebracht wird (Figur 4) . Alternativ dazu wird eine strukturierte, beispielsweise gestanzte Klebefolie 16, nur auf dem Kon- densator-Träger im Randbereich des Biegewandlers auflaminiert .After positioning and contacting the bending transducer via contact strips 17 is laminated on the capacitor carrier and the bending converter. According to a first embodiment, this takes place in such a way that an adhesive bond is applied over an entire area of the capacitor carrier and the bending transducer (FIG. 4). Alternatively, a structured, for example, stamped adhesive film 16 is laminated only on the capacitor carrier in the edge region of the bending transducer.
Beispiel 5:Example 5:
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Kontaktierung der Elektrodenschichten des Biegewandlers nachträglich durch die auflaminierte Folie hindurch. Dazu werden durch Lase- rablation Kontaktfenster 11 geöffnet werden. Die elektrische Anbindung des Biegewandlers wird dann durch eine auf der Fo- lie aufgebrachte Leiterebene 12 erreicht. Die Leiterebene 12 wird durch eine metallische Struktur realisiert, die mittels Siebruck einer Leiterpaste oder eines Leitklebers aufgebracht ist .According to this embodiment, the contacting of the electrode layers of the bending transducer takes place subsequently through the laminated film. For this purpose, contact windows 11 will be opened by laser ablation. The electrical connection of the bending transducer is then achieved by a conductor plane 12 applied to the film. The conductor plane 12 is realized by a metallic structure, which is applied by screen printing of a conductor paste or a conductive adhesive.
Beispiel 6:Example 6:
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine weniger elastische Folie 18 verwendet, die zur Verminderung des Anpressdrucks über dem Biegewandler geöffnet ist (Figur 6) . Dies kann bei- spielsweise durch einen Stanzprozess vor dem Laminieren erfolgen oder durch Laserablation nach dem Laminieren. Be i spie l 7 :According to this embodiment, a less elastic film 18 is used, which is open to reduce the contact pressure over the bending transducer (Figure 6). This can be done, for example, by a stamping process before lamination or by laser ablation after lamination. 7:
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 wird statt einer Folie eine elastische Vergussmasse 27 beispiel- weise durch einen Siebdruckprozess aufgebracht, wobei je nach Viskosität auch die Vertiefung 2 teilweise gefüllt wird. Die Strukturierung kann bereits durch den Druckprozess erreicht werden oder aber subtraktiv durch Photolithographie oder La- ser-Ablation .In a further exemplary embodiment according to FIG. 7, instead of a film, an elastic potting compound 27 is applied, for example, by a screen-printing process, the depression 2 also being partially filled depending on the viscosity. The structuring can already be achieved by the printing process or subtractive by photolithography or laser ablation.
Auf diese Art und Weise können auch hier Kontaktfenster 19 eingebracht werden, so dass die Vergussmasse auch als Träger einer weiteren Leiterebene 12 fungiert. Die Leiterebene kann außer durch eine metallische Struktur auch durch einen mit- tels Siebruck aufgebrachten, elastischen Leitkleber realisiert werden. So können beispielsweise Steuerspannungen für den Biegewandler über die Durchkontaktierungen 13 und 14 zugeführt werden.In this way, contact windows 19 can also be introduced here, so that the potting compound also acts as a carrier of another conductor plane 12. In addition to a metallic structure, the conductor level can also be realized by means of an elastic conductive adhesive applied by means of screen printing. For example, control voltages for the bending transducer can be supplied via the plated-through holes 13 and 14.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Kontaktierung der Elektrodenschichten des Biegewandlers nachträglich durch die auflaminierte Folie hindurch. Dazu werden durch Lase- rablation Kontaktfenster 11 geöffnet werden. Die elektrische Anbindung des Biegewandlers wird dann durch eine auf der Fo- lie aufgebrachte Leiterebene 12 erreicht. Die Leiterebene 12 wird durch eine metallische Struktur realisiert, die mittels Siebruck aufgebracht ist. According to this embodiment, the contacting of the electrode layers of the bending transducer takes place subsequently through the laminated film. For this purpose, contact windows 11 will be opened by laser ablation. The electrical connection of the bending transducer is then achieved by a conductor plane 12 applied to the film. The conductor plane 12 is realized by a metallic structure, which is applied by screen printing.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kondensatoranordnung mit mindestens einem Kondensator mit veränderbarer Kapazität, aufweisend - mindestens eine Kondensator-Elektrode, die auf einem Kondensator-Träger angeordnet ist, undA capacitor arrangement comprising at least one capacitor with variable capacitance, comprising - at least one capacitor electrode, which is arranged on a capacitor carrier, and
- mindestens eine Kondensator-Gegenelektrode, die gegenüber der Kondensator-Elektrode auf einem Stellglied in einem mit Hilfe des Stellgliedes veränderbaren Kondensator-Elektroden- Abstand (102) zum Einstellen der Kapazität angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass- At least one capacitor counter electrode, which is arranged opposite to the capacitor electrode on an actuator in a variable with the aid of the actuator capacitor-electrode spacing (102) for adjusting the capacitance, characterized in that
- mindestens ein Verbindungsmittel zum Erzeugen eines Druckkontakts zwischen dem Kondensator-Träger und dem Stellglied vorhanden ist.- At least one connecting means for generating a pressure contact between the capacitor carrier and the actuator is present.
2. Kondensatoranordnung nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsmittel zum Erzeugen des Druckkontakts mindestens ein Federelement aufweist, durch das der Kondensator-Träger und das Stellglied gegeneinander gedrückt werden, so dass der Druck- kontakt entsteht.2. capacitor arrangement according to claim 1, wherein the connecting means for generating the pressure contact comprises at least one spring element by which the capacitor carrier and the actuator are pressed against each other, so that the pressure contact is formed.
3. Kondensatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verbindungsmittel zum Erzeugen des Druckkontakts mindestens eine Folie aufweist, durch die der Kondensator-Träger und das Stellglied gegeneinander gedrückt werden, so dass der Druckkontakt entsteht.3. capacitor arrangement according to claim 1 or 2, wherein the connecting means for generating the pressure contact comprises at least one film through which the capacitor carrier and the actuator are pressed against each other, so that the pressure contact is formed.
4. Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verbindungsmittel zum Erzeugen des Druckkontakts min- destens eine Formmasse aufweist, durch die der Kondensator- Träger und das Stellglied gegeneinander gedrückt werden, so dass der Druckkontakt entsteht.4. capacitor arrangement according to one of claims 1 to 3, wherein the connecting means for generating the pressure contact has at least one molding compound by which the capacitor carrier and the actuator are pressed against each other, so that the pressure contact is formed.
5. Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wo- bei das Stellglied ein elektrisch ansteuerbares Stellglied ist und durch elektrische Ansteuerung des Stellgliedes der Kondensator-Elektroden-Abstand eingestellt werden kann. 5. Capacitor arrangement according to one of claims 1 to 4, wherein the actuator is an electrically controllable actuator and can be adjusted by electrical control of the actuator, the capacitor-electrode distance.
6. Kondensatoranordnung nach Anspruch 5, wobei das elektrisch ansteuerbare Stellglied zur elektrischen Ansteuerung mit Hilfe des Verbindungsmittels elektrisch kontaktiert ist.6. capacitor arrangement according to claim 5, wherein the electrically controllable actuator for electrical control by means of the connecting means is electrically contacted.
7. Kondensatoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Stellglied ein piezoelektrisches Biegelement ist.7. A capacitor arrangement according to claim 5 or 6, wherein the actuator is a piezoelectric bending element.
8. Kondensatoranordnung nach Anspruch 7, wobei das Biegelement eine runde Grundfläche aufweist.8. capacitor arrangement according to claim 7, wherein the bending element has a round base.
9. Kondensatoranordnung nach Anspruch 7 oder 8 , wobei das Biegeelement selbsttragend ist.9. capacitor arrangement according to claim 7 or 8, wherein the bending element is self-supporting.
10. Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Kondensatorelektrode und das Stellglied in einer10. capacitor arrangement according to one of claims 1 to 9, wherein the capacitor electrode and the actuator in one
Ausnehmung des Kondensator-Trägers angeordnet sind.Recess of the capacitor carrier are arranged.
11. Verfahren zum Herstellen der Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit folgenden Verfahrensschrit- ten: a) Bereitstellen des Kondensator-Trägers mit der Kondensator- Elektrode und Bereitstellen des Stellglieds mit der Kondensa¬ tor-Gegenelektrode, b) Zusammenbringen des Kondensator-Trägers und des Stell- glieds derart, dass die Kondensator-Elektrode und die Konden¬ sator-Gegenelektrode einander gegenüberliegend angeordnet sind, und c) Anbringen des Verbindungsmittels derart, dass der Konden¬ sator-Träger und das Stellglied mittels Druckkontakt mitein- ander verbunden sind.Th 11. The method of forming the capacitor arrangement according to one of claims 1 to 10 with the following method steps: a) providing the capacitor support with the capacitor electrode and providing the actuator with the Kondensa ¬ tor-counter electrode, b) contacting the condenser Carrier and the actuator such that the capacitor electrode and the condenser ¬ counter electrode are arranged opposite to each other, and c) attaching the connecting means such that the condenser ¬ carrier and the actuator are connected to each other by means of pressure contact ,
12. Verwendung der Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Einstellen eines Frequenzbandes eines Frequenzfilters .12. Use of the capacitor arrangement according to one of claims 1 to 10 for setting a frequency band of a frequency filter.
13. Verwendung der Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Einstellen einer spannungsgesteuerten OszillatorSchaltung . 13. Use of the capacitor arrangement according to one of claims 1 to 10 for setting a voltage-controlled oscillator circuit.
14. Verwendung der Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Einstellen einer Impedanz-Anpass- Schaltung. 14. Use of the capacitor arrangement according to one of claims 1 to 10 for setting an impedance matching circuit.
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