專利名稱：帶有內裝直流阻塞的鐵電可變電抗器的制作方法
本申請要求提出于1998年11月9日提交的美國臨時專利申請No.60/107,684的優(yōu)先權。
本發(fā)明一般涉及帶有有關直流阻塞電容器的電壓可調的可變電抗器。
可變電抗器是其中電容取決于施加到其上的電壓的電壓可調節(jié)電容器。該特性能在諸如濾波器、移相器等之類的電氣調諧射頻(RF)電路中找到用途。最常用的可變電抗器是半導體二極管可變電抗器，該可變電抗器具有高可調能力和低調諧電壓的優(yōu)點，但具有低Q、低功率處理能力、及有限電容范圍的缺點。一種新型的可變電抗器是一種其中通過借助于改變偏置電壓改變一種鐵電材料的介電常數(shù)而調節(jié)電容的鐵電可變電抗器。鐵電可變電抗器具有高Q、大功率處理能力、及大電容范圍。
一種鐵電可變電抗器公開在Thomas E.Koscica等的名稱為“薄膜鐵電可變電抗器(Thin Film Ferroelectric Varactor)”的美國專利No.5,640,042中。該專利公開了一種平面鐵電可變電抗器，該可變電抗器包括一個載波基片層、一個沉積在基片上的高溫超導金屬層、一種點陣匹配、一個沉積在金屬層上的薄膜鐵電層、及沉積在鐵電層上且與調諧器件中的射頻(RF)傳輸線相接觸的多個金屬導體。使用與一個超導元件相結合的一個鐵電元件的另一種可調節(jié)電容器公開在美國專利No.5,721,194中。利用一個鐵電層的可調節(jié)可變電抗器、和包括這種可變電抗器的各種器件，也公開在標題為“電壓可調節(jié)可變電抗器和包括這種可變電抗器的可調節(jié)器件(VoltageTunable Varactors And Tunable Devices Including SuchVaractors)”、提出于1999年10月15日、及轉讓給本發(fā)明的同一受讓人的美國專利申請No.__中。
當在各種器件中使用這樣的可變電抗器時，必須把直流阻塞電容器插入在RF傳輸線中以把直流偏置電壓與RF系統(tǒng)的其他部分相隔離。在傳輸線上的這些直流阻塞可能導致對于RF系統(tǒng)的另外插入損失、和在RF系統(tǒng)的設計和結構中的不便。
對于在VHF、UHF、微波及其他可調節(jié)電路中的用途，如濾波器、相移器、壓控振蕩器等，需要這樣的可變電抗器具有減小的直流阻塞插入損失，而具有高可調節(jié)能力。
按照本發(fā)明的一種電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件包括一個可調節(jié)鐵電層和第一與第二不可調節(jié)介電層。相鄰可調節(jié)鐵電層設置的第一和第二電極形成一個可調節(jié)電容器。第一和第二電極也相鄰第一和第二不可調節(jié)層分別設置。一個第三電極相鄰第一不可調節(jié)介電層設置，從而第三和第一電極及第一不可調節(jié)介電層形成一個第一阻塞電容器。一個第四電極相鄰第二不可調節(jié)介電層設置，從而第四和第二電極及第二不可調節(jié)介電層形成一個第二阻塞電容器。
在一個實施例中，電壓可調節(jié)介電可變電抗器包括一個具有一個一般為平坦的表面的基片、和一個設置在基片的一般為平坦的表面上的可調節(jié)鐵電層。第一和第二電極設置在相對著基片的一般為平坦的表面的可調節(jié)鐵電層的一個表面上，使第一和第二電極分離以形成一個第一間隙。第一和第二不可調節(jié)介電層也設置在基片的一般為平坦的表面上。一個第三電極設置在相對著基片的一般為平坦的表面的第一不可調節(jié)介電層的表面上，從而第三和第一電極形成一個第二間隙。一個第四電極設置在相對著基片的一般為平坦的表面的第二不可調節(jié)介電層的表面上，從而第四和第二電極形成一個第三間隙。
在另一個實施例中，電壓可調節(jié)介電可變電抗器包括一個可調節(jié)鐵電層和第一與第二不可調節(jié)介電層?？烧{節(jié)層設置在第一與第二電極之間以形成一個可調節(jié)電容器。第一不可調節(jié)層設置在第一電極與一個第三電極之間以形成一個第一阻塞電容器。第二不可調節(jié)層設置在第二電極與一個第四電極之間以形成一個第二阻塞電容器。
本發(fā)明的鐵電可變電抗器組件能用來在各種微波器件中、和在諸如可調節(jié)濾波器之類的其他器件中產(chǎn)生相位移。
當結合附圖閱讀時從最佳實施例的如下描述能得到本發(fā)明的充分理解，在附圖中

圖1是按照本發(fā)明建造的帶有內裝直流阻塞電容器的一種平面可變電抗器組件的俯視圖；圖2是沿線2-2得到的、圖1的可變電抗器組件的剖視圖；圖3是帶有圖1和2內裝直流阻塞電容器的可變電抗器的等效電路；圖4是對于按照本發(fā)明建造的一種可變電抗器組件可調節(jié)能力與電容比值的關系曲線；圖5是按照本發(fā)明另一個實施例建造的帶有內裝直流阻塞電容器的一種可變電抗器組件的俯視圖；圖6是沿線6-6得到的、圖5的可變電抗器組件的剖視圖；圖7是按照本發(fā)明另一個實施例建造的帶有內裝直流阻塞電容器的一種可變電抗器組件的俯視圖；及圖8是沿線8-8得到的、圖7的可變電抗器組件的剖視圖。
參照附圖，圖1和2是按照本發(fā)明的一種可變電抗器組件10的俯視和剖視圖?？勺冸娍蛊鹘M件10包括一個帶有一般平面上表面14的基片12。一個可調節(jié)鐵電層16相鄰基片的上表面設置。金屬電極18和20設置在鐵電層的頂部上。電極18和20成形為帶有凸塊22和24。這些凸塊的端部在可調節(jié)鐵電層的表面上形成一個間隙26。電極28和20的組合、及可調節(jié)鐵電層16形成一個可調節(jié)電容器54?？烧{節(jié)電容器的電容能通過把一個偏置電壓施加到電極18和20上而改變。
在該最佳實施例中，基片12由一種具有較低介電常數(shù)的材料組成，如MgO、氧化鋁、LaAlO3、藍寶石、或陶瓷。對本發(fā)明來說，低介電常數(shù)是小于約30的介電常數(shù)。在該最佳實施例中，可調節(jié)鐵電層16由一種具有從約20至約2000范圍內的介電常數(shù)、且在約10V/μm的偏置電壓下具有從約10％至約80％范圍內的可調節(jié)能力的材料組成。可調節(jié)鐵電層能由鈦酸鋇鍶(Barium-Strontium Titanate)BaxSr1-xTiO3(BSTO)、或BSTO合成陶瓷組成，其中x能在從零至1的范圍內。這樣的BSTO合成物的例子包括但不限于BSTO-MgO、BSTO-MgAl2O4、BSTO-CaTiO3、BSTO-MgTiO3、BSTO-MgSrZrTiO6、及其組合。鐵電電容器的介電膜可以通過絲網(wǎng)印刷機、激光燒蝕、金屬-有機溶液沉積、濺射、或化學氣相淀積技術而沉積。在一個最佳實施例中的可調節(jié)層當經(jīng)受典型直流偏置電壓，例如范圍從約5伏特至約300伏特的電壓時，具有大于100的介電常數(shù)。必須優(yōu)化間隙寬度，以便增大最大電容Cmax與最小電容Cmin的比值(Cmax/Cmin)并且增大器件的品質因數(shù)(Q)。該間隙的寬度對可變電抗器參數(shù)具有最大的影響。由在其下器件具有最大Cmax/Cmin和最小損失角正切的寬度確定最佳寬度g。
一個可控制電壓源28由線30和32連接到電極18和20上。該電壓源用來向鐵電層供給一個直流偏置電壓，由此控制層的介電常數(shù)。可變電抗器組件進一步包括相鄰基片12的一般為平坦的表面和在可調節(jié)鐵電層16的相對側設置的第一和第二不可調節(jié)介電層34和36。電極18在不可調節(jié)材料34的上表面的一部分上延伸。電極38相鄰不可調節(jié)層34的上表面設置，從而一個間隙40形成在電極18與34之間。電極18和34及不可調節(jié)層34的組合形成一個第一直流阻塞電容器42。該可變電抗器組件也包括一個RF輸入30和一個RF輸出32。
電極44相鄰不可調節(jié)層的一個上表面設置，從而一個間隙46形成在電極20與44之間。電極20和44及不可調節(jié)層36的組合形成一個第二直流阻塞電容器48。直流阻塞電容器的介電膜可以通過絲網(wǎng)印刷機、激光燒蝕、金屬-有機溶液沉積、濺射、或化學氣相淀積技術而沉積。
一個RF輸入50連接到電極38上。一個RF輸出52連接到電極44上。RF輸入和輸出通過焊接或粘結連接分別連接到電極38和44上。在直流阻塞電容器42和48中的不可調節(jié)介電層34和36由諸如BSTO合成物之類的高介電常數(shù)材料組成。直流阻塞電容器42和48與可調節(jié)電容器54串聯(lián)電氣連接，以把直流偏壓與可變電抗器組件10的外側相隔離。為了增大兩個直流阻塞電容器42和48的電容，電極具有圖1中所示的指狀組合型排列。
在最佳實施例中，可變電抗器可以使用5-50μm的間隙寬度。鐵電層的厚度在從約0.1μm至約20μm的范圍內。一種密封膠能插入在間隙中以增大擊穿電壓。該密封膠能是具有高介電擊穿強度以允許高電壓施加而不會跨過間隙起弧的任何非傳導材料，例如環(huán)氧樹脂或聚氨基甲酸乙酯。
本發(fā)明的可變電抗器組件的等效電路表示在圖3中。該電路包括一個串聯(lián)連接到在本例子中具有相等電容的兩個不可調節(jié)直流阻塞電容器C2上的可調節(jié)電容器C1。因此，可變電抗器組件的合成電容器C1表示為1Cl=1C1+2C2---(1)]]>或ClC1=11+2C1C2---(2)]]>這里C1是可調節(jié)電容器的電容，而C2是直流阻塞電容器的電容。在如下情況下C1＜＜C2(3)公式(2)給出Cl≈C1(4)合成電容器的可調節(jié)能力與電容器C1的可調節(jié)能力有關。材料的可調節(jié)能力t能定義為t=1ϵrdϵrdE---(5)]]>其中εr是材料的介電常數(shù)，而E是施加場的強度。在其中使用可調節(jié)材料的電容器的情況下，電容器的電容C經(jīng)常隨介電常數(shù)線性地變化，即C=aεr(6)其中a是與幾何結構有關的一個電容器參量常數(shù)，如面積、厚度等?？烧{節(jié)能力然后能表示為t=1ϵrdϵrdE=1CdCdE---(7)]]>如果C1是具有可調節(jié)能力t1的一個電容器，而C2是一個不可調節(jié)電容器，則可變電抗器組件的合成tl能從公式(1)和公式(7)得到t1C1=t1C1---(8)]]>使用公式(2)，能重寫公式(8)，從而t1C1=t1C1=11+2C1C2---(9)]]>這里tl是可變電抗器組件的合成可調節(jié)能力。公式(1)表示Cl＜C1(10)由于C1和C2都是正數(shù)。因此，由公式(9)，tl＜t1(11)如果應用公式(3)的條件(C1＜＜C2)，則tl≈t1(12)圖4用曲線表示公式(9)的關系。例如，能看到C2C1=20]]>，我們有t1tl=ClC1=0.91]]>。及在C2C1=40]]>處，我們有tlt1=ClC1=0.95]]>。
因此，如果C2＞＞C1，則合成電容Cl和可調節(jié)能力tl大都由可調節(jié)電容器C1確定。經(jīng)本發(fā)明中的直流阻塞電容器的整體出現(xiàn)很小的輔助插入損失，因為直流阻塞電容器的電容遠高于組件的可變電抗器部分的電容。本發(fā)明的可變電抗器組件的插入損失主要從可調節(jié)鐵電電容器和其連接產(chǎn)生，因為可調節(jié)鐵電電容器的電容遠小于直流阻塞電容器的電容。
圖5和6是具有平面電容器結構的一種可變電抗器組件56的俯視和剖視圖。在圖5和6中，一個電容器58是一個帶有直流偏置金屬層電極60和62的可調節(jié)平行板電容器，電極60和62分別帶有偏置終端64和66。在電容器58中的可調節(jié)材料68可以是體積、帶、或薄膜樣式的BSTO基或相關材料。直流阻塞電容器70和72是平行板電容器，他們分別串聯(lián)連接到可調節(jié)電容器58上。用在電容器70和72中的介電材料74和76是體積、帶或膜樣式的具有高介電常數(shù)的不可調節(jié)材料。直流阻塞電容器70和72的電容通過適當選擇介電材料的介電常數(shù)和介電層的厚度，應該至少高于可調節(jié)電容器58的電容20倍?？勺冸娍蛊鹘M件56的電極78和80經(jīng)終端82和84連接到一個射頻(RF)信號上。為了滿足在公式(3)中C2＞＞C1的條件，對直流阻塞電容器70和72為了增大電容選擇成，與可調節(jié)層68相比介電常數(shù)較高且不可調節(jié)層74較薄。
圖7和8是表示按照本發(fā)明建造的一種可變電抗器組件86的第三實施例?？勺冸娍蛊鹘M件86的結構類似于可變電抗器組件56的結構。然而，多層電容器用作可變電抗器組件86中的直流阻塞電容器以代替可變電抗器組件56中的單層直流阻塞電容器而增大電容。在該結構中的介電材料可以是帶條、薄或厚的膜。在圖7和8中，一個電容器88是一個帶有直流偏置金屬層電極90和92的可調節(jié)電容器，電極90和92分別帶有偏置終端94和96。在電容器88中的可調節(jié)材料98可以是BSTO基或相關材料。多層直流阻塞電容器100和102分別串聯(lián)連接到可調節(jié)電容器88上。用在電容器100和102中的介電材料是具有高介電常數(shù)的不可調節(jié)材料。直流阻塞電容器100和102的電容通過適當選擇介電材料的介電常數(shù)、介電層的厚度、及介電層的數(shù)量，應該至少高于可調節(jié)電容器88的電容40倍?？勺冸娍蛊鹘M件86的電極104和106經(jīng)電極終端108和110連接到RF線上。
已經(jīng)描述了一種帶有內裝直流阻塞的鐵電可變電抗器組件，其中使用低損失和高可調節(jié)能力材料。內裝直流阻塞電容器使可變電抗器更容易用在RF電路中，并且消除當使用常規(guī)可變電抗器時由常規(guī)直流阻塞電容器引起的插入損失。低損失和高可調節(jié)能力材料可以是鈦酸鋇鍶(Barium-Strontium Titanate)、BaxSr1-xTiO3(BSTO)、或BSTO基合成物，其中x小于1。這些高質量材料可以顯著改進本發(fā)明的可變電抗器性能。鐵電可變電抗器可以由體積、薄膜、或厚膜鐵電材料制成。
因而，本發(fā)明通過利用內裝直流阻塞電容器和高質量可調節(jié)鐵電材料，提供一種高性能鐵電可變電抗器組件，消除了常規(guī)直流阻塞插入損失，及顯著有利于RF電路設計和處理。本發(fā)明具有多種用途，并且公開器件的多種其他改進對于熟悉本專業(yè)的技術人員可能是顯然的，而不脫離由如下權利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1．一種電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，包括一個可調節(jié)鐵電層；第一和第二電極，相鄰形成一個可調節(jié)電容器的可調節(jié)鐵電層設置；一個第一不可調節(jié)介電層，相鄰第一電極設置；一個第三電極，相鄰第一不可調節(jié)介電層設置，所述第三和第一電極及所述第一不可調節(jié)介電層形成一個第一阻塞電容器；一個第二不可調節(jié)介電層，相鄰第二電極設置；及一個第四電極，相鄰第二不可調節(jié)介電層設置，所述第四和第二電極及所述第二不可調節(jié)介電層形成一個第二阻塞電容器。
2．根據(jù)權利要求1所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，其中在所述第一與第二電極之間的電容比在所述第一與第三電極之間的電容小至少一個約20的因數(shù)。
3．根據(jù)權利要求1所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，其中可調節(jié)鐵電層具有從約20至約2000范圍內的介電常數(shù)、和在約10V/μm的偏置電壓下從約10％至約80％范圍內的可調節(jié)能力。
4．根據(jù)權利要求1所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，進一步包括一個用來支撐所述可調節(jié)鐵電層和所述第一和第二不可調節(jié)介電層的基片。
5．根據(jù)權利要求4所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，其中基片包括如下組中的一種MgO、氧化鋁、LaAlO3、藍寶石、和陶瓷。
6．根據(jù)權利要求1所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，其中可調節(jié)鐵電層包括如下之一一層可調節(jié)鐵電厚膜；一層可調節(jié)鐵電塊狀陶瓷；及一層可調節(jié)鐵電薄膜。
7．一種電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，包括一個基片，帶有一個一般為平坦的表面；一個可調節(jié)鐵電層，設置在基片的一般為平坦的表面上；第一和第二電極，設置在相對著基片的一般為平坦的表面的可調節(jié)鐵電層的一個表面上，所述第一和第二電極分離以在其之間形成一個間隙；第一和第二不可調節(jié)介電層，設置在基片的一般為平坦的表面上，其中第一不可調節(jié)介電層的一部分相鄰第一電極設置，及其中第二不可調節(jié)介電層的一部分相鄰第二電極設置；一個第三電極，設置在相對著基片的一般為平坦的表面的第一不可調節(jié)介電層的表面上，所述第三和第一電極分離以在其之間形成一個第二間隙；及一個第四電極，設置在相對著基片的一般為平坦的表面的第二不可調節(jié)介電層的表面上，所述第四和第二電極分離以在其之間形成一個第三間隙。
8．根據(jù)權利要求7所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，其中在所述第一與第二電極之間的電容比在所述第一與第三電極之間的電容小至少一個約20的因數(shù)。
9．根據(jù)權利要求7所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，其中所述第二和第三間隙是指狀組合型間隙。
10．根據(jù)權利要求7所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，其中可調節(jié)鐵電層具有從約20至約2000范圍內的介電常數(shù)、和在約10V/μm的偏置電壓下從約10％至約80％范圍內的可調節(jié)能力。
11．根據(jù)權利要求7所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，其中基片包括如下組中的一種MgO、氧化鋁、LaAlO3、藍寶石、和陶瓷。
12．根據(jù)權利要求7所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，其中可調節(jié)鐵電層包括如下之一一層可調節(jié)鐵電厚膜；一層可調節(jié)鐵電塊狀陶瓷；及一層可調節(jié)鐵電薄膜。
13．根據(jù)權利要求7所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，其中可調節(jié)鐵電層包括一個RF輸入和一個RF輸出以便在一個第一方向經(jīng)可調節(jié)鐵電層通過一個RF信號，及其中第一間隙在基本上垂直于第一方向的第二方向延伸。
14．一種電壓可調節(jié)介電可變電抗器，包括一個可調節(jié)鐵電層；第一和第二電極，設置在可調節(jié)鐵電層的相對側上；第一和第二不可調節(jié)介電層，其中第一不可調節(jié)介電層相鄰第一電極設置，而其中第二不可調節(jié)介電層相鄰第二電極設置；一個第三電極，相鄰相對著第一電極的第一不可調節(jié)介電層的一個表面設置；及一個第四電極，相鄰相對著第二電極的第二不可調節(jié)介電層的一個表面設置；
15．根據(jù)權利要求14所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，其中在所述第一與第二電極之間的電容比在所述第一與第三電極之間的電容小至少一個約20的因數(shù)。
16．根據(jù)權利要求14所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，其中可調節(jié)鐵電層具有從約20至約2000范圍內的介電常數(shù)、和在約10V/μm的偏置電壓下從約10％至約80％范圍內的可調節(jié)能力。
17．根據(jù)權利要求14所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，其中可調節(jié)鐵電層包括如下之一一層可調節(jié)鐵電厚膜；一層可調節(jié)鐵電塊狀陶瓷；及一層可調節(jié)鐵電薄膜。
18．根據(jù)權利要求14所述的電壓可調節(jié)介電可變電抗器組件，進一步包括一種第一組輔助不可調節(jié)介電層，其中第三電極進一步相鄰第一組輔助不可調節(jié)介電層的每個層的一個表面設置；和一種第二組輔助不可調節(jié)介電層，其中第四電極進一步相鄰第二組輔助不可調節(jié)介電層的每個層的一個表面設置。
全文摘要
一種電壓可調節(jié)介電可變電抗器,包括一個可調節(jié)鐵電層和第一與第二不可調節(jié)介電層。相鄰可調節(jié)鐵電層設置的第一和第二電極形成一個可調節(jié)電容器。一個第三電極相鄰第一不可調節(jié)介電層設置,從而第三和第一電極及第一不可調節(jié)介電層形成一個第一阻塞電容器。一個第四電極相鄰第二不可調節(jié)介電層設置,從而第四和第二電極及第二不可調節(jié)介電層形成一個第二阻塞電容器。
文檔編號H01P1/18GK1325552SQ99813104
公開日2001年12月5日 申請日期1999年11月4日 優(yōu)先權日1998年11月9日
發(fā)明者路易絲·C·森格普塔, 史蒂文·C·斯托爾, 朱永飛, 薩默那斯·森格普塔 申請人:帕拉泰克微波公司