(57)【要約】本発明は、電気的に制御可能な容量を有するマイクロ波デバイスを提供する。本発明のマイクロ波デバイス（１０）は可変誘電率を有する強誘電性基板（１０１）を含み、基板上に導電性電極（１０２，１０３Ａ−Ｃ）を配置されており、その容量は印加電圧によって電気的に制御可能／調整可能である。マイクロ波デバイスは前記基板／電極の少なくとも２つのセクションまたは部分を含み、電圧印加時にはそれらの各々について異なる電界強度が生成される。前記の生成される電界強度は、前記デバイスの設計および／または前記電圧の印加によって、前記マイクロ波デバイスの前記容量の電圧依存性（Ｃ（Ｖ））の勾配（ｄＣ／ｄＶ）を制御することにより制御される。
2005502186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に制御可能／調整可能なマイクロ波デバイス（１０；２０；３０；４０；５０；６０；７０；８０；９０Ａ；９０Ｂ）であって、その上に導電性電極（１０２，１０３Ａ−Ｃ；２０２，２０３；３０２，３０３；４０２，４０３；５０２，５０３；６０３Ａ，Ａ’，６０３Ｂ，Ｂ’；８０３Ａ−Ｃ，８０４；９０２Ａ−Ｃ，９０３Ａ−Ｃ；９０２Ｄ−Ｆ，９０３Ｄ−Ｆ）を配置された、可変誘電率の強誘電性基板（１０１；２０１；３０１；４０１；５０１；６０１；８０１；９０１Ａ−Ｃ；９０１Ｄ−Ｆ）を含み、それの容量が印加電圧（Ｖ）に依存するマイクロ波デバイスであって、
前記マイクロ波デバイスが、前記基板／電極の少なくとも２つのセクションまたは部分を含んでおり、電圧印加時にそれらの各々について異なる電界強度が生成されるようになっており、前記生成された電界強度が前記デバイスの設計および／または電圧印加によって制御されて、前記マイクロ波デバイスの容量の電圧依存性（Ｃ（Ｖ））の勾配（ｄＣ（ｄＶ）が制御できることを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ波デバイス（１０；２０；３０；４０；５０；９０Ａ；９０Ｂ）であって、
それが平行板共振器を含むことを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のマイクロ波デバイス（１０；２０；３０；４０；５０；９０Ａ；９０Ｂ）であって、
それが平行板キャパシタまたはバラクタを含むことを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項４】
請求項１、２、および３のうちの任意の項記載のマイクロ波デバイス（１０；２０；３０；４０；５０；９０Ａ；９０Ｂ）であって、
各セクションが他のセクション（単数または複数）の厚さ（単数または複数）および／または電極面積（単数または複数）と異なる１つの厚さおよび／または１つの電極面積を有すること、および前記容量の電圧依存性が前記セクションの複数厚さおよび複数電極面積を適切に選ぶことによって制御できることを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載のマイクロ波デバイス（１０；２０；３０；４０；５０；９０Ｂ）であって、
異なるセクションに対して同じ電圧が印加されること、および印加された電圧に対して、１つのセクションに生成される電界がそのセクションの厚さおよび電極面積に依存することを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載のマイクロ波デバイス（１０）であって、
１つの共通電極板（１０２）および１つの共通強誘電性基板（１０１）が設けられること、および各々のセクションに対して、分離された第２電極（１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ）が設けられ、各セクションについて対応する強誘電性基板部分の厚さが異なること、更に前記第２電極（１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ）が前記共通の第１電極板（１０２）から異なる距離に設けられることを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項７】
請求項５または６に記載のマイクロ波デバイスであって、
それが円盤形、円形、楕円形、あるいは長方形であること、および最も薄いセクション（１０３Ａ）が最も小さい電極面積（１０３Ａ）を有し、前記最も薄く最も小さいセクションが前記マイクロ波デバイス（１０）の中心に取り付けられることを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項８】
請求項５−７のうちの任意の項記載のマイクロ波デバイスであって、
前記強誘電性基板の前記厚さが、異なるセクションを提供するように台形に作られていることを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項９】
先行の請求項のうちの任意の項記載のマイクロ波デバイスであって、
それが非常に多数の異なるセクションを含むこと、および前記容量の電圧依存性を表すラインの勾配（ｄＣ／ｄＶ）の制御精度がセクションの数とともに増大することを特徴するマイクロ波デバイス。
【請求項１０】
請求項９に記載のマイクロ波デバイス（１０；２０；３０；４０；５０）であって、
隣接するセクション間で互いの厚さおよび電極面積の差異が微小であるため、前記強誘電性基板および前記共通および／またはセクションの電極を切断したマイクロ波デバイスの断面が、最も薄いセクションを中央にして本質的に連続的な厚さの変化を示すことを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項１１】
請求項１に記載のマイクロ波デバイス（６０；７０；８０）であって、
それが薄膜強誘電性基板（６０１；８０１）構造を含み、前記基板（６０１；８０１）の上には平坦な電極（６０３Ａ，Ａ’；６０３Ｂ，Ｂ’；８０３Ａ−Ｃ，８０４）が取り付けられて、前記電極間に空隙が形成されること、および前記空隙が、前記容量の印加電圧依存性の勾配（ｄＣ／ｄＶ）が制御できるような形状になっていることを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項１２】
請求項１１に記載のマイクロ波デバイス（８０）であって、
前記空隙が、離散的なステップ状に変化するような形状になることによって異なるセクションを提供することを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項１３】
請求項１１に記載のマイクロ波デバイス（６０；７０）であって、
前記空隙が、本質的に連続的に変化するような形状になっていることを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項１４】
請求項１に記載のマイクロ波デバイス（９０Ａ；９０Ｂ）であって、
それが電気的に分離された複数のセクションを含むことを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項１５】
先行の請求項のうちの任意の項記載のマイクロ波デバイス（１０；２０；３０；４０；５０；６０；７０；８０；９０Ａ；）であって、
異なる部分／セクションでの異なる電界の生成、あるいは連続的に変化する電界の生成が、前記マイクロ波デバイスの設計、すなわち前記強誘電性基板および／または前記導電性電極の設計によって排他的に与えられることを特徴するマイクロ波デバイス。
【請求項１６】
請求項１５に記載のマイクロ波デバイス（１０；２０；３０；４０；５０；９０Ｂ；）であって、
前記セクションが異なる厚さおよび電極面積を有すること、および前記同じ電圧が前記異なる電極セクションに印加されることを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項１７】
請求項１−１４のうちの任意の項記載のマイクロ波デバイス（９０Ａ）であって、
異なる部分／セクションでの異なる電界の生成、あるいは連続的に変化する電界の生成が、異なる電圧を異なる部分／セクションに印加することによって排他的に与えられることを特徴するマイクロ波デバイス。
【請求項１８】
請求項１７に記載のマイクロ波デバイス（９０Ａ）であって、
前記電気的に分離されたセクションが本質的に同じ形状、寸法、および厚さを有すること、および異なる電圧が異なるセクションに印加されることを特徴とするマイクロ波デバイス。
【請求項１９】
請求項１−１０、１４−１６のうちの任意の項記載のマイクロ波デバイス（１０；２０；３０；４０；５０；９０Ａ；９０Ｂ）であって、
前記基板が、例えばＳｒＴｉＯ３の、バルク強誘電性基板を含んでいることを特徴するマイクロ波デバイス。
【請求項２０】
請求項１１−１３のうちの任意の項記載のマイクロ波デバイス（６０；７０；８０）であって、
前記基板が、例えばＳｒＴｉＯ３の、薄膜強誘電性基板を含んでいることを特徴するマイクロ波デバイス。
【請求項２１】
先行の請求項のうちの任意の項記載のマイクロ波デバイス（１０；２０；３０；４０；５０；６０；７０；８０；９０Ａ；９０Ｂ；）であって、
前記容量の電圧依存性の勾配がｄＣ／ｄＶ一定の線形的になるように、それの形状がなっているか、および／または電圧（単数または複数）が印加されるようになっていることを特徴するマイクロ波デバイス。
【請求項２２】
その上に導電性電極を取り付けた可変誘電率の強誘電性基板を含む電気的に制御可能／調整可能なマイクロ波デバイスの電圧／容量（Ｖ／Ｃ）特性を制御するための方法であって、
それが、
前記デバイスが少なくとも２つのセクションまたは部分を含むように、前記強誘電性基板および前記電極を取り付ける工程；
前記容量の電圧依存性の勾配（ｄＣ／ｄＶ）を制御するために、前記セクションまたは部分に対して、前記デバイスのセクションまたは部分の各々において異なる電界強度が発生するように、あるいは本質的に連続的に変化する電界が発生するように電圧を印加する工程；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法であって、
それが、
前記基板および前記電極を、異なる寸法および／または形状のセクションが形成されるように設計する工程；
前記異なるセクションに対して同じ電圧を供給して、前記セクションの各々で異なる電界強度を発生させる工程；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって、
それが、
前記基板および前記電極を、平行板デバイスが形成されるように、また第１セクションが第１の（電極）面積および第１の厚さを有し、後続のセクションに関しては厚さおよび面積がステップ状あるいは連続的に増大するように設計する工程；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法であって、
前記基板の片側上に１つの共通電極板が取り付けられること、および前記デバイスが平行板共振器またはキャパシタを含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法であって、
それが、
同じ寸法および形状の、電気的に分離された複数のセクションを設ける工程；
前記同様な形状のセクションに対して異なる電圧を印加して、各セクションについて異なる電界が生成されるようにする工程；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２２に記載の方法であって、
それが、
前記強誘電性基板上に取り付けられた平坦な電極間の空隙の幅を、前記容量の印加電圧依存性の勾配（ｄＣ／ｄＶ）を制御するために、前記電極に対して電圧を印加したときに、前記電界強度が連続的あるいはステップ状に変化するように設計する工程；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２２−２７のうちの任意の項記載の方法であって、
それが、
前記基板および／または前記電極を、電圧印加時に前記容量が印加電圧に対して線形に変化するように、すなわちｄＣ／ｄＶが一定になるように設計する工程；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２５に記載の方法であって、
それが、
前記強誘電性基板および／または前記電極を設計し、および／または前記電極に対して電圧印加を行って、前記デバイスの異なる部分／セクションに異なる電界が生成されるように、あるいは連続的に変化する電界が生成されるようにする工程であって、前記容量の前記電圧に対する依存性を表すラインの勾配（ｄＣ／ｄＶ）を決定するために前記電界の強度（単数または複数）が制御される工程；
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はキャパシタなどのマイクロ波デバイスに関するものであり、更に詳細には電気的に調整可能なキャパシタ（バラクタ）および共振器に関する。更に詳細には、それは電気的に制御可能あるいは調整可能な強誘電性マイクロ波デバイスに関する。特に、それは、可変誘電率あるいは可変誘電定数を有する強誘電性基板を含み、その基板上に導電性電極を配置された、制御可能あるいは調整可能なマイクロ波デバイスであって、それの容量が印加電圧に依存するデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
当該分野では各種のマイクロ波部品、特に強誘電性基板をベースとする電気的に制御される部品が知られている。薄膜強誘電性基板およびバルク材料強誘電性基板の両方を使用することが知られている。強誘電性材料の誘電率は電界に依存するが、これは強誘電性材料の特徴である。マイクロ波デバイスでは、バラクタは、例えば集中型部品（マイクロ波信号の波長をλとして、０．１λよりも寸法が小さい）として使用されるか、あるいは例えば位相シフタ、遅延ライン、共振器等に分散型部品（寸法が０．１λよりも大きい）として使用される。そのようなデバイスに関するいくつかの異なる例については、例えば、ＳＥ−Ｃ−５０６，３１３に基づく優先権出願ＷＯ  ９６／４２１１８、ＵＳ−Ａ−５，４７２，９３５に述べられている。これらの文献を参照によってここに取り込む。
【０００３】
更に詳細には、強誘電性材料の誘電率は、印加電界に対する非線形な依存性によって特徴付けられる。そのような依存性についての簡単な数学モデルが、Ｏ．  Ｖｅｎｄｉｋ、Ｓ．  ＺｕｂｋｏによるＪ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．の１９９７年、第８２巻、ページ４４７５の論文に示されている。この文献もここに参照によって取り込まれる。誘電率は印加された電界に非線形に依存するため、強誘電性基板を用いた、例えばバラクタや共振器等のマイクロ波デバイスの動作特性にも類似な非線形が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
強誘電性マイクロ波デバイスの一例は、例えば、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）基板を含む強誘電性平行板キャパシタである。そのような平行板キャパシタでは、そのデバイスの容量Ｃ（Ｖ）は印加電圧に依存して非線形に変化する。この依存性はＣ＝εε０Ｓ／ｄの関係で与えられる。ここでＳはキャパシタ板の面積、ｄは板間の距離、εはこの誘電性基板の誘電率（これは電圧に依存する）、またε０＝８．８５×１０−１２［Ｆ／ｍ］である。しかし、多くの実際の応用では、容量が印加電圧に対して非線形に変化することは欠点となる。特に、多くの実際の応用に対しては、線形な、しかしそれとともに何らかのその他のタイプの容量と印加電圧との間の非線形関係が有利であり必要でもある。
【０００５】
従って、必要とされるものは、マイクロ波部品であって、特に、その電圧／容量特性が制御できるような、強誘電体に基づく電気的に制御可能なマイクロ波部品である。特に、容量の印加電圧依存性が制御可能であるような、上で言及したマイクロ波部品が必要とされる。更に詳細には、例えば、上で言及したマイクロ波デバイスは、容量の印加電圧に対する依存性が線形化できるため、あるいは更に詳細には、特別な非線形依存性を持つように制御できるため必要とされる。
【０００６】
特に、上述の目的を達成できるキャパシタ、バラクタ、あるいは共振器が必要とされる。更に詳細には、それによって上述の目的を実現できる平行板（あるいはプレーナー型）キャパシタあるいは共振器が必要とされる。特に、集中型部品として使用することができるバラクタが必要とされ、あるいは例えば、位相シフタ、遅延ライン、共振器等に分散型部品として使用することができるバラクタが必要とされる。
【０００７】
特に、強誘電性材料を基板として使用する、あるいはそれをベースとするマイクロ波デバイスの容量の電圧依存性を制御できる方法もまた必要とされる。最も詳細には、容量の電圧依存性を線形化できる、あるいは任意の所望の依存形に調整できる方法が必要とされる。
【０００８】
従って、可変誘電率（定数）の強誘電性（誘電性）基板および前記基板上に配置された導電性電極を備え、その容量が印加電圧に依存する、電気的に制御可能／調整可能なマイクロ波デバイスが提供される。本発明に従えば、本マイクロ波デバイスは少なくとも２つのセクション、あるいは２つの部分を含み、それらの中には、電圧印加時に、異なるセクションあるいは部分では異なる電界強度が発生し、それによって容量の電圧依存性を表すラインの勾配（ｄＣ／ｄＶ）を制御できる。それはラインの凹凸に対応して負になったり正になったりする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１つの特別な実施例では、本デバイスはキャパシタまたはバラクタを含み、あるいは特に平行板キャパシタを含む。別の実施例では、それは共振器、特に平行板共振器を含む。このマイクロ波デバイスの異なるセクションまたは異なる部分に、異なる電界強度を展開または発生させることは、異なるやり方でできる。
【００１０】
有利な実施例では、本デバイスは実際に、それぞれのセクションまたは部分が他の複数セクション（あるいは他のセクションが１つしかない場合には他の単数セクション）の厚さおよび／または電極面積と異なる厚さおよび／または面積、それも特に電極面積を有するように、異なるセクションまたは部分を含むように形成あるいは設計される。こうすることによって、容量の電圧依存性の勾配（微分）が、異なるセクションの厚さおよび／または電極面積（形状）を適切に選ぶことで制御できる。
【００１１】
特別な実施例では、平行板デバイスに関して、デバイスの異なるセクションまたは部分に同じ電圧が供給され、それらの異なるセクション／部分は電気的に接触しており、従って、１つのセクションまたは１つの部分に生成される電界は対応するセクションの厚さに依存する。
【００１２】
特に、１つの共通の第１電極板と１つの共通の強誘電性基板とがあり、各々のセクションまたは部分に対して１つの分離した第２電極が設けられる。各々のセクションについて、対応する強誘電性部分の厚さは異なっており、また共通の第１電極板から異なる距離だけ離して第２電極が設けられる。異なるセクションに対して同一の電圧が印加される。従って、もしそれらの第２電極が電気的に接触していなければ、各々のセクションについて、各々の第２電極板に対して前記同じ電圧を供給するための別の接続を設けなければならない。別の実施の形態では、第２電極は互いに電気的に接続されているが、セクションの寸法および／または形状は異なっている。その場合には、１つの接続だけあればよく、同じ電圧がすべてのセクションに供給されるが、それらが複数の厚さを有するため、生成される電界はセクション毎に異なる。
【００１３】
このように、本デバイスは、電圧供給の前には１つのセクションのみを含むように設計し、電圧の供給を通して異なる部分またはセクションが実際に生成されるようにすることができる。あるいは、個別に異なるセクションとすることによって、異なるセクションを区別あるいは形成するように設計しても良い。
【００１４】
更に別の実施の形態では、異なるセクションを完全に分離するが、寸法と形状は同じにすることもできる。その場合には、異なる電界を生成できるようにするためには、それぞれのセクションに対して異なる電圧を供給しなければならない。
【００１５】
更に別の実施例では、セクションは分離されるが、互いに異なるようにして、同じ電圧をそれらすべてに供給することができる。一般に、異なるセクションの数は、そのデバイスの容量の電圧依存性の勾配（ｄＣ／ｄＶ）の制御精度を与える。１つの特別な実施例では、デバイスのすべての部分またはセクションについて両電極板は共通になっており、強誘電性基板は、その上に取り付けた電極板のうちの１つの形状が幾分連続的に変化することで厚さが変化するため、電圧供給によってデバイスの異なる部分に生成される電界は異なってくる。更に別の実施の形態では、強誘電性基板は、それの両面に取り付けられた両電極板の形状が、例えば、平坦でないように変化することでそれらの間の距離が変化することによって厚さが変化する。基板厚さの変化は連続的でも、あるいは離散的な段差を含んでいてもよい。
【００１６】
特別な実施の形態では、本デバイスは円盤状、円形、六角形、楕円形、長方形、あるいはその他適宜な規則的あるいは不規則的な形状のものでよい。更に詳細には、最も薄いセクションまたは部分は最も小さい電極面積を有し、それによってその最も薄く最も小さいセクションがデバイスの中央に配置される。１つの特別な実施の形態では、強誘電性基板の厚さは、異なるセクションを設けるために台形に形成され、また上で述べたように、１つの電極板が共通になっていて、他の電極板は、異なるセクションを定義するように分離した電極板を含んでおり、それらは電気的に接続してもしなくてもよい。あるいはまた、他の第２電極板をすべてのセクションについて共通とし、基板表面に沿って連続的に変化する形状を与えることによってデバイスの厚さが変化するようにできる。特に、本デバイスは非常に多数の異なるセクションまたは部分を含む。別の実施例では、それは限られた数、例えば３または４、あるいはその他の適当な個数のセクションまたは部分のみを含む。
【００１７】
１つの特別な実施例では、隣接するセクション間で互いの厚さおよび電極面積の差異は微小であり、従って、強誘電性基板と共通および／またはセクション毎の電極を含めたマイクロ波デバイスの断面積は、本質的に連続な厚さの変化を示し、最も薄いセクションが中央にある。ここでは上面と呼ぶ基板の特別な１つの表面は平坦でなく、二次元的および放射状に前記上面の中心の回りで対称であり、デバイスの周辺へ向かって第２電極板（単数または複数）からの距離が増えていく。
【００１８】
別の実施例では、それは薄膜強誘電性基板構造をした平坦なデバイスを含み、平坦な電極が前記基板上に取り付けられて、それらの電極間に空隙が設けられている。この場合、空隙の形状は、印加電圧に対する容量の依存性を制御できるようなものとなっている。空隙の形状は不連続的に変化するようなものとされ、それによって異なるセクションを提供する。別の実施例では、空隙の形状は本質的に連続的に変化するように形成される。異なる実施例に従えば、共通の第２電極であるグラウンド面が設けられるが、他の実施例ではそうなっていない。
【００１９】
本デバイスはまた、上で述べたように、異なる厚さ（および電極面積）を有する、電気的に分離された複数のセクションを含み、それらの異なる電極セクションに対して同じ電圧が供給されよう。１つの実施の形態では、電気的に分離されたセクションが本質的に同じ形状、寸法、および厚さを有しており、異なるセクションに対して異なる電圧が印加される。理論的に任意の組合せが可能である。例えば、異なるセクションを使用し、異なるセクションに対して異なる電圧を印加することによって、デバイスの形状または設計と異なる電圧印加とを組み合わせて実施することができる。あるいは、設計のみによって、異なる電界強度が異なるセクションに生成されるようにすることで容量の電圧依存性を制御することもできる。
【００２０】
基板は特に、バルク材料あるいは薄膜を含むＳｒＴｉＯ３基板を含む。その他の選択肢は、例えば、ＢａＳｒＴｉＯ３、すなわちチタン酸バリウム・ストロンチウム等である。導電性電極は通常の導体、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕのものを含む。あるいは、それらは超伝導体、例えばＹＢＣＯ、Ｎｂ等を含むものを含むことができる。電極はまた、低温または高温の超伝導体を含むこともできる。１つの特別な実施例では、超伝導体または高温超電導体の上に通常の導電層が取り付けられる。更に別の実施の形態では、超伝導体電極と強誘電性基板との間に薄いバッファ層を配置してもよい。
【００２１】
本発明はまた、可変誘電率を有する強誘電性基板と、前記基板上に取り付けた導電性電極とを含む電気的に制御可能／調整可能なマイクロ波デバイスの電圧／容量特性を制御する方法を開示する。本方法は、強誘電性基板と電極とを取り付けて、デバイス中に形成される複数のセクションまたは部分の各々に対して異なる電界強度が生成されるように電圧印加を提供する工程と、容量の電圧依存性の勾配を制御するために、異なる電界強度あるいは幾分連続的に変化する電界強度の生成を制御する工程とを含む。
【００２２】
特に、本方法は、異なるセクションが形成されるように基板および電極を設計する工程と、前記異なるセクションに対して同一の電圧を印加して、前記セクションの各々についてそのセクションの寸法および／または厚さに依存して異なる電界強度が生成されるようにする工程とを含む。更に詳細には、本方法は、平行板デバイスについて、第１の中央セクションが第１の（板）面積および第１の厚さを有するように基板および電極（単数または複数）を整形する工程と、後続のセクションについては厚さおよび面積を段階的あるいは連続的に増加させる工程とを含む。特に、基板の片側に共通の電極板が設けられたデバイスは平行板共振器またはキャパシタを構成する。あるいは、２つの共通の電極板の間に基板を設けて、その電極板の片方または両方に基板の表面（単数または複数）に対応する形状を与えることによって、１つの電圧の印加によって異なるセクションが形成される。別の実施の形態では、それは、同じ寸法および形状の、電気的に分離された複数のセクションを提供する工程と、同じような寸法および形状のセクションに対して異なる電圧を印加して、各セクションについて異なる電界が生成されるようにする工程とを含む。あるいは、厚さが変化する１つの共通基板を用いて、第１および第２電極のうちの１つが分離した部分を含み、各々のセクションに対して同一の電圧が印加される。
【００２３】
別の実施の形態では、平坦なデバイスについて、本方法は、強誘電性基板上に取り付けられた平坦な電極間の空隙の幅を、電極への１つの電圧の印加によって、容量の印加電圧依存性の勾配（ｄＣ／ｄＶ）を制御できるように生成される電界強度が可変できるように設計する工程を含む。
【００２４】
本方法は、一般に、基板および／または電極を、電圧印加によって容量が所望のやり方で印加電圧とともに変化するように設計する工程を含む。有利なことに、本方法は、全容量が印加電圧に線形に依存するように、すなわち、Ｃ（Ｖ）依存性が線形になるようにする工程を含む。これはｄＣ／ｄＶが一定であることを意味する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明は、限定するものではないが、以下のように添付図面を参照しながら更に説明する。
【００２６】
強誘電性材料の誘電率あるいは誘電定数は印加電圧、あるいは発生する印加電界に非線形に依存する。図１には、典型的な強誘電性材料であるＳｒＴｉＯ３の３５Ｋの温度における誘電定数の印加電圧依存性が示されている。更に詳細には、図１は０−２００Ｖの電圧範囲における、誘電定数の絶対値の印加電圧依存性を示す。従って、そのような強誘電性材料を含む平行板キャパシタはそれと同様な、Ｃ＝εε０Ｓ／ｄの関係で与えられる、デバイス容量の非線形な印加電圧依存性を示す。ここでＳはキャパシタの板面積、ｄを板間距離、εを誘電定数（Ｖに依存する）、およびε０＝８．８５×１０−１２［Ｆ／ｍ］である。
【００２７】
実際の応用では、線形あるいは別のタイプ、すなわち、図１に示すものとは違う、容量と印加電界または電圧との間の非線形な依存性がしばしば必要とされる。従って、本発明に従って、Ｃ（Ｖ）依存性の勾配（すなわち、微分ｄＣ／ｄＶ）を制御する方法が示唆される。特に、次に述べる実施の形態に示すように、それは線形化（ｄＣ／ｄＶが定数であることに対応する）および／または調整される。
【実施例】
【００２８】
本発明の１つの実施の形態に従って、マイクロ波デバイスが示唆され、そこでは、デバイスの少なくとも２つのセクションまたは部分の各々について、電圧印加に応じて生成される電界は異なる。１つの同一の印加電圧に対して、それぞれのセクション／部分で生成される電界は、生成される電界がデバイスの厚さあるいは電極間の距離にＥ＝Ｖ／ｄで依存するため、デバイスの形状および／または寸法がデバイス全体を通して同じでないという条件の下で、異なる。このことは、セクションに対して異なる形状および／または寸法を与えれば、異なるセクションには異なる電界が生成することを意味する。更に、異なるセクションに異なる電圧を印加すること、あるいは両方を組み合わせること、すなわち、寸法および／または形状の異なるデバイスを提供することと、デバイスの異なる部分に対して異なる電圧を印加することとを組み合わせることも可能である。このことはまた図９Ａ、図９Ｂに模式的に示されている。
【００２９】
一例として、円盤状のキャパシタ、あるいは平行板共振器を作製あるいは設計して、厚さがｄ１、ｄ２、ｄ３、．．．で板面積がＳ１、Ｓ２、Ｓ３、．．．の２個以上のセクションを含むようにしたとしよう。そのような構造の全容量の印加電圧依存性は、異なるセクションの厚さｄ１、ｄ２、ｄ３および面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、．．．を適切に選ぶことによって制御または調節、詳細には線形化することができる。そのようなデバイスの全容量は次の式で与えられる。
【００３０】
（数１）
Ｃ（Ｅ）＝ε（Ｅ）ε０Ｓ１／ｄ１＋ε（Ｅ）ε０Ｓ２／ｄ２＋ε（Ｅ）ε０Ｓ３／ｄ３＋．．．＝
Ｓ１（ε（Ｅ）ε０／ｄ１＋ε（Ｅ）ε０（Ｓ２／Ｓ１）／ｄ２＋ε（Ｅ）ε０（Ｓ３／Ｓ１）／ｄ３＋．．．）＝
Ｓ１（ε（Ｅ）ε０ｍ１／ｄ１＋ε（Ｅ）ε０ｍ２／ｄ２＋ε（Ｅ）ε０ｍ３／ｄ３＋．．．）
【００３１】
ここで、ｍ１（＝１）、ｍ２、ｍ３は板面積の比、Ｓ１／Ｓ１、Ｓ２／Ｓ１、Ｓ３／Ｓ１である。
【００３２】
このように、Ｃ（Ｖ）依存性の勾配は厚さと板面積とを適切に選ぶことによって制御できる。
【００３３】
図２は、零バイアス時、すなわち印加電圧なしの場合の容量に対するある与えられた印加電圧における相対容量を用いて、ｄ１＝ｄ２＝ｄ３となったセクション１個のバラクタのＣ（Ｖ）依存性（実線で示す）と、ｄ１＝２μｍ、ｄ２＝８μｍ、ｄ３＝２０μｍで、板面積の比が上の公式を参照して、ここではｍ１＝０．５、ｍ２＝７、およびｍ３＝１６となったＳｒＴｉＯ３をベースとする３セクション型の対応するバラクタの線形化されたＣ（Ｖ）依存性（図面に破線で示す）との比較を模式的に示すグラフであり、この場合、相対容量はＣ０（Ｖ，ｄ，３０）／Ｃ０（０，ｄ，３０）（バイアスなし）とＣ１（Ｖ，ｄ，３０）／Ｃ１（Ｖ，ｄ，０）（線形化）である。
【００３４】
同様な結果は、デバイスが円形であろうと、非円形すなわち長方形や楕円形等であろうと、形状に関わらず得られる。強誘電性基板、特にそれの厚さは、デバイスの容量に要求される電圧依存性勾配を提供するために、異なる形状、すなわち台形やその他の形状に設計される。この原理は薄膜の強誘電性構造と同様にバルクの強誘電性基板にも適用される。更に、代替としてあるいは付加的なやり方として、異なるセクションに対して異なる電圧を印加することなども可能である。更に、この考え方は平坦なデバイスと同様に平行板デバイスにも適用される。以下では、いくつかの例示的実施例を説明する。
【００３５】
図３Ａは３つの異なるセクションを含む円盤状キャパシタ（または平行板共振器）１０を示す。実際に、それは寸法が誘電体中のマイクロ波波長よりもずっと小さければキャパシタである。他方、共振器としては、寸法は誘電体中のマイクロ波波長と同程度かそれよりも大きくなければならない。円盤状のキャパシタまたは平行板共振器１０は、ここでは、例えばＳｒＴｉＯ３の強誘電性（誘電体）基板１０１を含み、３つのセクションすべてに共通な１つの底電極１０２と、基板１０１の異なる部分またはセクション上に取り付けられた３つの分離した上側電極１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃとを備えている。強誘電性基板１０１は、第１セクションはそれの中央部によって与えられて、与えられた半径と厚さとを有し、他方、第２セクションはより厚くリング状をしており、最後に、第３セクションは最も厚く、これも円形のリング状に設計される。これら３つの上側電極１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃは、この実施の形態では、電気的に相互接続されていない。従って、上側電極の各々に対して、導電線やリードを介して別々に電圧を供給する必要がある。この実施の形態では、各セクションに対して同一の電圧が印加され、バイアス電圧が供給されるときには、非線形強誘電性基板１０１の誘電定数が変化して、各セクションに対して異なることになり、異なる電界が誘起される。共振器としては、共鳴周波数（およびＱ因子）が変化する。特に、強誘電性基板１０１はバルクの単結晶ＳｒＴｉＯ３を含む。上側電極は図２に関して述べたように板面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を有する。そのような構造の全容量は、図２に関して上で示した公式によって与えられる。
【００３６】
図３Ｂは、図３Ａの円形の平行板共振器／キャパシタの断面図である。
【００３７】
１つの実施の形態では、導電性電極１０２、１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃは通常の導電性材料、あるいは通常の金属膜、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕの膜を含む。その他の実施の形態では、超伝導電極、特に高温超伝導膜、例えばＹＢＣＯの膜が使用される。また、その他の超伝導材料ももちろん使用できる。１つの実施の形態（図示されていない）では、常伝導層が超伝導層の上に配置されて、超伝導材料が超伝導を示す温度であるＴｃより高温においても機能するようにして、超伝導状態でも常伝導状態でも動作が可能とするとともに、保護層として保護の目的にも使用される。更に、導電性電極（特にそれらが超伝導の場合）と強誘電性基板との間にバッファ層を配置することも可能であり、その目的はなかでも、堆積工程での超伝導膜質を改善し、また化学反応、例えば超伝導膜と誘電体基板との間の酸素の交換を制御することによって超伝導膜−強誘電体系を安定化することである。この実施の形態では、セクションの各々に対して同一の電圧が印加されるが、異なるセクションに対して異なる電圧を供給し、それによって強誘電性基板の設計と異なる電圧の供給とを組み合わせてそれぞれのセクションに適切な電界を生成することにより、容量の電圧依存性の所望の勾配を得ることも可能である。
【００３８】
図４には、平行板共振器またはキャパシタ２０を含むマイクロ波デバイスが示されている。それは図３Ａ、３Ｂの実施の形態と同じように３つのセクションを含む。強誘電性基板２０１の片側には底電極、あるいはもっと一般的には、第１電極２０２が取り付けられ、それは３つのセクションすべてに共通となっており、他方、強誘電性基板２０１の上、あるいは強誘電性基板の反対側には第２電極２０３が取り付けられて、それは強誘電性基板の上側（ここでは）部分と同じ形状が与えられている。第１（中央）の円形セクションは第１の厚さｈ１を有し、リング状をした第２セクションは第２の厚さｈ２を有し、これもリング状である第３セクションは第３の厚さｈ３を有しており、ここでｈ３＞ｈ２＞ｈ１となっている。強誘電性基板２０１の厚さは不連続なステップ状に変化し、最も薄いセクションはデバイスの中央にある。第１セクションは半径ｒ１を有し、第２セクションは外径がｒ２のリングを定義し、第３セクションは外径がｒ３のリングを定義する。ここでｒ３＞ｒ２＞ｒ１である。この実施の形態で、上側電極２０３の異なる部分は電気的に接続されている、すなわち、上側電極２０３は実際には１つの共通電極を含んでいるので、上側電極、すなわち３つのセクションには単一のリードを介して１つの電圧が供給される。この実施の形態では、それは第３セクションへつながれている。しかし、別の実施の形態では、それを第１セクションあるいは第２セクションへつないでもよい。このように、この実施の形態では、同じ電圧がすべてのセクションに供給され、生成する電界の変動は異なるセクションの設計によって排他的に与えられる。
【００３９】
図５は平行板マイクロ波デバイス３０の更に別の例を開示する。強誘電性基板３０１には、それの両側に第１電極３０２と第２電極３０３とが設けられている。上側とか下側という表現は説明の便宜上のものであることは明らかであろう。円形の強誘電性基板は片面で平坦である。他方（上側）の側あるいは面は、基板の厚さが中央で最も薄くなるような形状になっている。円形デバイスに関して、基板は半径ｒを有し、厚さは中心からの距離の関数ｈ（ｒ）で表される。このように、この実施の形態では、明瞭なセクションは存在しないが、電極３０２、３０３へ電圧を印加するときに、生成される電界は、各セクションまたは各部分に同一の電圧が印加されるとしても、デバイスの異なる部分で異なってくる。強誘電性基板の厚さの変動のために、生成される電界はデバイス全体を通して変化する。そして、強誘電性基板の設計を選択することによって、デバイスの容量の依存性の勾配が必要とされるもの、あるいは望ましいものになるように、それを制御することができる。
【００４０】
図６は、可変厚さを有する強誘電性基板４０１を備える平行板マイクロ波デバイス４０の更に別の例を示す。ここでも、デバイスが円形であって、強誘電性基板の厚さｈがｈ（ｒ）に従って半径に依存する、すなわち中心からの距離ともに変化することを仮定している。強誘電性基板の上側および下側表面は両方が同じように連続的に変化する。例えば、各々、ボウルのような形を仮定して、ボウルの外側へ向いた面が互いに向かいあうように配置されるため、デバイスの厚さがデバイスの周辺へいくにつれて増大し、Ｃ（Ｖ）依存性が要求される勾配になるようにボウルの勾配角度が傾いている。
【００４１】
図７は、可変厚さを有する強誘電性基板５０１の更に別の実施例を示す。厚さは両面で対称的にステップ状に変化し、共通電極５０２、５０３が基板のそれぞれの面に設けられている。厚さが離散的なステップ状に変化して、各々与えられた直径および与えられた厚さを有する３つの異なるセクションが設けられている。電極は３つのセクションに共通になっており、１つの同じ電圧が各セクションに印加される。強誘電性基板、あるいはより一般的には異なるセクションの寸法および勾配の変化は、電圧印加時に生成される電界を異なるものとする。この実施の形態においても、各セクションに分離した電極、すなわち電気的に相互接続されていない電極を設けることができるが、電圧印加のために別々のリードあるいは導電性ワイヤが必要となることは明らかであろう。更に、各セクションに同じ電圧を印加してもよい。あるいは、制御目的で印加電圧および設計の両方の差異を活用するために、上で述べたように、異なるセクションに対して異なる電圧を印加してもよい。
【００４２】
図８Ａには薄膜の強誘電性基板６０１を含むマイクロ波デバイス６０が開示されている。２つの平坦な電極６０３Ａ、６０３Ｂが強誘電性基板６０１の上に取り付けられる。これら平坦な電極は反対方向に突出する部分６０３Ａ’、６０３Ｂ’を備えて設けられており、それらの間には空隙が形成される。突出部分は、空隙の幅、従って生成される電界が変化するように形成され、そのためＣ（Ｖ）の所望の勾配が得られる。
【００４３】
図８Ｂは図８Ａに類似した構造７０を示しているが、グラウンド電極６０２の提供を含んでいる。
【００４４】
図８Ｃは、その上に電極８０３Ａ、８０３Ｂ、８０３Ｃおよび８０４を設けた薄膜強誘電性基板８０１を備える平坦構造８０の別の代替の実施の形態を非常に模式的な形で示している。電極８０３Ａ、８０３Ｂ、８０３Ｃの寸法（および形状）は異なっている。電極８０３Ａが最も小さく、次の電極８０３Ｂは８０３Ａよりも大きいが、後続の電極８０３Ｃよりも小さいため、この場合にも、図８Ａ、８Ｂの実施の形態と同様に、平坦な電極構造の１つの部分と別の部分とでは強誘電性材料の誘電定数が異なるという理由で、またデバイス各部の容量がその部分の誘電定数に依存するので容量もまた異なるという理由で、対応する電極８０３Ａ、８０３Ｂ、８０３Ｃと電極８０４との間には異なる電界が発生する。電極の寸法／形状を、従って電極間の距離を注意深く選ぶことによって、電圧／容量特性を制御することが、あるいは特に微分ｄＣ／ｄＶが一定であることに対応する線形化を行なうことができる。
【００４５】
図９Ａは例示的な図であり、別の簡略化された実施の形態を示しているが、そこでは３つの分離した平行板共振器またはキャパシタが提供されている。あるいはむしろ、１つの共振器または平行板キャパシタが３つの異なるセクションに分割されて、各々が強誘電性基板９０１Ａ、９０１Ｂ、９０１Ｃを備えており、それらの各面の上に電極９０３Ａ、９０３Ｂ、９０３Ｃおよび９０２Ａ、９０２Ｂ、９０２Ｃがそれぞれ取り付けられていると言ってもよい。各々の平行板共振器・セクションの寸法および形状は他のものの形状と同じであり、更にそれらが同じ厚さを持つことが仮定されている。各部分あるいはサブ構造の容量を制御できるためには、異なるサブ構造に対して異なる電圧を印加しなければならない。ここでは、構造９００Ａに対して電圧Ｖ９１を、構造９００Ｂに対して電圧Ｖ９２を、最後に、構造９００Ｃに対して電圧Ｖ９３を印加するとし、ここでＶ９１＜Ｖ９２＜Ｖ９３であると仮定している。各々のサブ構造の誘電定数はそれぞれの対応する構造に生成される電界に依存するので（Ｅ９１＜Ｅ９２＜Ｅ９３）、サブ構造９００Ａの誘電定数はサブ構造９００Ｂのそれよりも大きいであろうし、また後者はサブ構造９００Ｃのそれよりも大きいであろう。これに対応して、サブ構造９００Ａの容量Ｃ１１はサブ構造９００Ｂのそれ、Ｃ１２よりも大きいであろうし、また後者はサブ構造９００Ｃのそれ、Ｃ１３よりも大きいであろう。同じ効果を得るために、異なるサブ構造に対してわずかに異なる厚さを与え、しかもそれらに対して異なる電圧を印加することもできることは明らかであろう。その場合、電圧差はより小さくなる。更に、厚さおよび／または形状のみを操作することも可能であり、その場合は、各サブ構造に対して同じ電圧を印加する。厚さ／形状および電圧を特別に選ぶことによって、上で述べたもの以外のその他の相互関係を得ることもできる。そのような実施の形態が図９Ｂに示されている。平行板共振器あるいはキャパシタ構造９０Ｂは３つのサブ構造に分割されている。ここで、サブ構造９００Ｄはサブ構造９００Ｅよりもより大きく厚い。また、後者はサブ構造９００Ｆよりもより大きく厚い。更に、この実施の形態で、各々のサブ構造は強誘電性基板９０１Ｄ、９０１Ｅ、９０１Ｆをそれぞれ含み、それらの上には各々の側に電極９０２Ｄ、９０３Ｄ；９０２Ｅ、９０３Ｅ；９０２Ｆ、９０３Ｆがそれぞれ取り付けられている。各々のサブ構造には１つの同じ電圧Ｖ９０が印加されると仮定されている。それらの構造の電極面積および厚さがどのようなものに選ばれたかに依存して、サブ構造９００Ｄ、９００Ｅ、９００Ｆにそれぞれ生成される電界を制御でき、そのことが誘電定数に影響する。サブ構造のそれぞれの面積および厚さを選ぶことによって、対応する異なるサブ構造の対応する容量の部分的寄与を変更したり左右したりすることによって、Ｃ（Ｖ）依存性の勾配を制御したり、望むように調節したりすることができる。
【００４６】
注意すべきことは、本発明はもちろん３つのサブ構造に限定されず、これは単に一例として示しただけであるということである。一般に、Ｃ（Ｖ）依存性の勾配（ｄＣ／ｄＶ）は、上で詳細に説明したように、セクションあるいは部分の数が多くなって各構造が隣接する構造からほんのわずかだけしか違わないようになればなるほどより詳細に制御することができる。
【００４７】
ＳｒＴｉＯ３以外のその他の強誘電性あるいは調整可能な誘電体材料を使用することもできることは明らかであろう。更に、その他の態様において、本発明は特に例示した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲のスコープ内で、多様な形で変形することができることも明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】ＳｒＴｉＯ３基板の誘電率の３５°Ｋにおける印加電圧依存性を示すグラフ。
【図２】１つのセクションを含むバラクタに関するＣ（Ｖ）と、本発明に従う３つのセクションを含む線形化されたバラクタのそれとを比較する模式図。
【図３Ａ】本発明の第１の実施の形態に従う円形の平行板キャパシタ／共振器の図。
【図３Ｂ】図３Ａのデバイスの断面図。
【図４】本発明の別の実施の形態に従う、３つのセクションを含む円形の平行板デバイスの等寸図。
【図５】一例として１つの共通電極板がその上に取り付けられた基板表面の１つが平坦ではなく連続的に変化するため、基板厚さが変化する別の実施の形態デバイスの模式図。
【図６】非平坦な上面および下面のために基板が連続的に変化する厚さを有する本発明に従う別の実施の形態デバイスの図。
【図７】上面および下面が非平坦であることによって、厚さが不連続的に段階的に変化する基板を備えた実施の形態の模式図。
【図８Ａ】間に空隙を有する２枚の平坦な電極を含むマイクロ波デバイスの実施の形態の図。
【図８Ｂ】更にグラウンド面電極を含む、図８Ａのそれと類似の実施の形態の図。
【図８Ｃ】別の共通電極から異なる距離だけ離れた、異なる寸法のセクションを有する分割された１つの電極を備える平坦な電極構造を示す図。
【図９Ａ】異なる電圧が印加されるようになった、同じ寸法および形状の３つの分離したセクションを備える簡単な実施の形態を一例として示す模式図。
【図９Ｂ】同一の電圧が印加されるようになった、異なる寸法および厚さの３つの分離したセクションを含むデバイスを一例として示す模式図。
【図２】
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【国際公開パンフレット】
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