ПЛЕНОЧНАЯ RC-СТРУКТУРА С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ Российский патент 1999 года по МПК H01G4/40 H03H1/02 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании устройств, обладающих частотно-избирательными свойствами и устройств, реализующих частотно-независимые характеристики, в частности широкополосные фазовращатели.

Основной задачей при создании RC-элемента с распределенными параметрами со структурой слоев вида R-C-O или сокращенно RC-структуры с распределенными параметрами (RC-СРП) с частотно-независимой ФЧХ являются расширение функциональных возможностей RC-СРП, в частности, расширение полосы рабочих частот с постоянными величинами фазового сдвига коэффициента передачи по напряжению, что дает возможность реализовать широкополосный фазовращатель, обеспечение возможности одноэлементной регулировки величин постоянного фазового сдвига коэффициента передачи по напряжению, а также частоты среза амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) коэффициента передачи по напряжению. Известен регулируемый RC-фазовращатель (а.с. N 534847 по заявке N 1987910/09, приоритет от 15.01.74 автора А.И. Кантера), выполненный в виде элементарных фазосдвигающих сосредоточенных RC-цепочек, один элемент в которых является регулируемым и между вторым концом фазосдвигающей RC-цепи, являющейся выходом фазовращателя, и общей шиной включен дополнительный резистивный делитель напряжения, между отводами делителей напряжения включен второй дополнительный резистивный делитель напряжения, отвод которого подключен к отводу регулируемого резистора фазосдвигающей RC-цепи. Основным недостатком приведенной конструкции фазовращателя является то, что он выполнен на сосредоточенных R и C элементах. Это приводит к тому, что: во-первых, ухудшается надежность данной конструкции фазовращателя, поскольку количество соединений возросло, во-вторых, увеличиваются габариты и, в-третьих, снижается чувствительность фазовращателя.

Прототипом выбрана пленочная RC-структура с распределенными параметрами (Ермолаев Ю.П., Пономарев М.Ф., Крюков Ю.Г. Конструкции и технология микросхема /(ГИС и БГИС); Под ред. Ю.П. Ермолаева: Учебник для вузов. - М.: Сов. радио, 1980, рис. 2.36), содержащая последовательно нанесенные на диэлектрическую подложку нижнюю обкладку четырехугольной формы, выполненную в виде слоя резистивного материала с контактными площадками, диэлектрик и верхнюю обкладку с контактной площадкой. Достоинством данной RC-СРП является возможность использования ее в микросхемах в качестве фильтров, фазосдвигающих элементов, а также элементов селективной обратной связи при построении активных фильтров.

К недостаткам можно отнести:
ФЧХ коэффициента передачи по напряжению прототипа не имеет участка с постоянным значением фазового сдвига в полосе частот, следовательно на его (прототипа) основе невозможно реализовать широкополосный фазовращатель. Предлагаемая же конструкция RC-СРП позволяет обеспечить значение постоянного фазового сдвига коэффициента передачи по напряжению в достаточно широких пределах.

Технической задачей при создании изобретения является повышение степени сохранности удельных параметров пленок, составляющих RC-СРП с частотно-независимой ФЧХ, при подгонке параметров характеристик RC-СРП.

Решаемая техническая задача достигается тем, что в пленочной RC-структуре с распределенными параметрами, содержащей последовательно нанесенные на диэлектрическую подложку нижнюю обкладку четырехугольной формы, выполненную в виде слоя резистивного материала с контактными площадками, диэлектрик и верхнюю обкладку с контактной площадкой, нижняя обкладка выполнена выступающей за пределы верхней обкладки с двух смежных сторон, к которым примыкают контактные площадки на величины, определяемые значением постоянного фазового сдвига коэффициента передачи по напряжению.

На фиг. 1 изображена конструкция пленочной RC-структуры с распределенными параметрами.

На фиг. 2 изображен вариант топологии RC-структуры с распределенными параметрами четырехугольной формы с контактными площадками, расположенными на двух его смежных сторонах.

На фиг. 3 изображена АЧХ коэффициента передачи по напряжению RC-структуры с распределенными параметрами.

На фиг. 4 изображена ФЧХ коэффициента передачи по напряжению RC-структуры с распределительными параметрами.

Пленочная RC-структура с распределенными параметрами с частотно-независимой ФЧХ (фиг. 1) содержит последовательно нанесенные на диэлектрическую подложку 1 нижнюю обкладку 2 четырехугольной формы, выполненную в виде слоя резистивного материала с контактными площадками 3, 4, примыкающими к двум смежным сторонам, диэлектрик 5 и верхнюю обкладку 6 с контактной площадкой 7, нижняя обкладка 2 которой выполнена выступающей за пределы верхней обкладки 6 с двух смежных сторон 8, к которым примыкают контактные площадки 3, 4 на величины, определяемые значением постоянного фазового сдвига коэффициента передачи по напряжению.

В такой структуре распределение потенциалов в нижней обкладке является функцией двух координат X и Y и в общем случае является неоднородным. Очевидно, что для такой RC-СРП произведение r_n(x)^*c_n(x) ≠ const, где r_n(x) - погонное сопротивление, c_n(x) - погонная емкость. Этим и объясняется расширение функциональных возможностей RC-СРП.

Параметры частотных характеристик цепей, реализуемых на основе такой RC-СРП с частотно-независимой ФЧХ, в частности, величины постоянного фазового сдвига коэффициента передачи по напряжению и частота среза АЧХ, зависят от характера неоднородности распределения потенциалов в нижней обкладке 2 четырехугольной формы, выполненной в виде слоя резистивного материала, который можно заранее задавать при разработке топологии RC-СРП с частотно-независимой ФЧХ путем соответствующего расположения и выбора ширины контактных площадок 3, 4, а также величин, на которые выступает за пределы верхней обкладки 6 с двух смежных сторон 8 нижняя обкладка 2 четырехугольной формы, выполненная в виде слоя резистивного материала.

Учитывая, что геометрические размеры RC-СРП в плане значительно больше толщины пленок, гармонические процессы в структуре (фиг. 2) для области Ω₂ определяются дифференциальным уравнением в частных производных вида:

где x_н=x/l_x, y_н= у/l_y - нормированные координаты;
T = l_x/l_y - коэффициент формы;
ω_н = ωRC нормированная частота;
R, C - полные сопротивление и емкость RC-СРП;
L= { l₁/l_x; l₂/l_x; l₃/l_y; l₄/l_y; l₅/l_x; l₆/l_y - вектор нормированных конструктивных параметров;
U(x_н,y_н,ω_н,L) - комплексная амплитуда потенциала резистивного слоя.

Для области Ω₁ гармонические процессы определяются тем же уравнением (l), но учитывая, что C=0, т.е. ω_н = 0 и правая часть уравнения (1) равна 0.

Распределение потенциалов в нижней обкладке четырехугольной формы, выполненной в виде слоя резистивного материала, и соответствующие напряжения и токи на электродах можно определить, в частности, методом конечных элементов.

Коэффициент передачи по напряжению четырехполюсника T_ikj, где i - входной, k - общий, j - выходной узлы четырехполюсника, и его ФЧХ определяются из выражений:
T_ikj = U_ik/U_jk,
ϕ_Tikj = arg T_ikj(jω_н,L).
Анализ частотных характеристик для четырехполюсного включения T₁₃₂ показывает следующее:
- при L = {0,4; 1; 0; 0,2; 0,3; 0,3} в рабочей полосе частот П_ω -{67; 200} среднее значение постоянного фазового сдвига коэффициента передачи по напряжению ϕ_тс = -69 при его неравномерностях Δϕ_тс = ±1. При этом неравномерность АЧХ в рабочей полосе частот П_ω 10 дБ.

- при L={0,3; 1; 0; 0,2; 0,3; 0,3} уже в рабочей полосе частот П_ω ={28; 152} среднее значение постоянного фазового сдвига коэффициента передачи по напряжению ϕ_тс =-12,3 при его неравномерности Δϕ_тс = ±1. Неравномерность АЧХ в рабочей полосе частот составляет менее 4 дБ.

Ширина области, на которую выступает нижняя обкладка четырехугольной формы, выполненная в виде слоя резистивного материала, за пределы верхней обкладки с двух смежных сторон, к которым примыкают контактные площадки (назовем ее R-область) определяется требуемым средним значением фазового сдвига коэффициента передачи по напряжению. Такая конструкция RC-СРП позволяет производить подгонку ее параметров, в частности, местоположение и ширину контактных площадок, соединенных с R-областью путем удаления этой R-области, примыкающей к контактной площадке. При этом исключается воздействия на диэлектрик RC-СРП и минимизируется площадь нижней обкладки четырехугольной формы, выполненной в виде слоя резистивного материала, с измененными в процессе подгонки электрофизическими свойствами. Это гарантирует практическую неизменность после подстройки такой важной характеристики цепи как температурный коэффициент постоянной времени. Т.о., предлагаемая конструкция RC-СРП позволяет обеспечить значения постоянного фазового сдвига коэффициента передачи по напряжению в достаточно широких пределах.

Пример конкретной реализации RC-СРП показан на фиг. 1.

Конструктивно RC-СРП с частотно-независимой ФЧХ представляет собой пленочный конденсатор, одна из обкладок которого выполнена из резистивного материала с соответствующим расположением контактных площадок. В описании даны только относительные размеры контактных площадок RC-СРП, т.к. цель изобретения достигается независимо от абсолютных значений геометрических параметров RC-СРП и примененных материалов.

Изобретение относится к микроэлектронике. Может использоваться при создании частотно-избирательных устройств, а также устройств, реализующих частотно-независимые характеристики, в частности широкополосные фазовращатели и аттенюаторы. Пленочная RC-СРП с частотно-независимой ФЧХ содержит последовательно нанесенные на диэлектрическую подложку 1 нижнюю обкладку 2 четырехугольной формы, выполненную в виде слоя резистивного материала с контактными площадками 3, 4, примыкающими к двум смежным сторонам, диэлектрик 5, верхнюю обкладку 6 с контактной площадкой 7, нижняя обкладка 2 которой выполнена выступающей за пределы верхней обкладки 6 с двух смежных сторон 8, к которым примыкают контактные площадки. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности и обеспечить постоянные величины фазового сдвига коэффициента передачи по напряжению. 4 ил.

Пленочная RC-структура с распределенными параметрами, содержащая последовательно нанесенные на диэлектрическую подложку нижнюю обкладку четырехугольной формы, выполненную в виде слоя резистивного материала с контактными площадками, диэлектрик и верхнюю обкладку с контактной площадкой, отличающаяся тем, что нижняя обкладка выполнена выступающей за пределы верхней обкладки с двух смежных сторон, к которым примыкают контактные площадки, на величины, определяемые значением постоянного фазового сдвига коэффициента передачи по напряжению.