[实用新型]铁电薄膜移相器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种新型铁电薄膜移相器，属于微波工程技术领域。

背景技术

相控阵天线在雷达及通信系统领域有着广泛的应用。在高精度相控阵列天线中，制作移相器的费用约占整个相控阵列天线成本的40％。到目前为止，研究得最为深入的移相器是基于铁氧体材料或半导体器件设计制作的移相器。基于铁氧体材料制作的相控阵列天线体积大，功耗大，并且波束随控制信号的响应也比较慢。故此在要求快速扫描的应用领域存在明显不足。由半导体器件设计制作的相控阵列天线虽然可以满足快速扫描的要求，但在微波及毫米波频段，它会产生较高的插入损耗，这样限制了其功率承载能力的提高。为了克服上述相控阵列天线的缺点，自二十世纪六十年代以来，铁电材料已被研究应用于铁电调制相控阵列天线的制作。和铁氧体材料移相器及半导体器件移相器相比，基于铁电材料制作的移相器具有以下优点：扫描速度快，体积小及重量轻。此外由于它们利用外加电场改变介电常数，所以功耗也很低。

到目前为止，在铁电移相器应用领域研究得最为广泛的铁电材料是钛酸锶钡薄膜(Ba_xSr_1-xTiO₃)，分子式中x/(1-x)是钡与锶组份的比例，其x值可从0变到1，相应的钛酸锶钡薄膜的居里转变温度点可从钛酸锶的居里温度点(小于0K)到钛酸钡薄膜的居里温度点(400K)。这样通过调整钡锶组份的方法可以选择钛酸锶钡薄膜的工作温区，通常当x取0.5左右时，钛酸锶钡薄膜常被用来制作在室温下工作的器件。

在利用铁电薄膜材料设计制作的移相器中，通常采用两种结构形式，微带线结构和共面线结构。尤其是以共面线周期性加载铁电调制电容的方案报导的最多。这种结构有下述优点：铁电薄膜只存在于制作可调电容的区域，其余部分的铁电薄膜均被腐蚀或者刻蚀掉，这样做可以减少铁电薄膜对整个器件插入损耗的贡献，此外，这种结构还利于施加外加电压。在共面线结构中，所加载的铁电电容通常采用平行板电容结构或常规交叉指状电容结构。前者采用下电极金属层-钛酸锶钡薄膜-上电极金属层这种夹心三明治结构，上下电极间的距离就是钛酸锶钡薄膜的厚度。平行板电容器工艺通常包括如下几个步骤：1、沉积铂电极前躯体，金属铂电极，沉积铁电薄膜，氮化硅绝缘层。铂电极前躯体是为了让金属铂电极能够很好的和衬底基片结合；2、光刻掩模，反应离子束刻蚀氮化硅，氢氟酸溶液腐蚀铁电薄膜到金属铂电极；剥离光刻胶，反应离子束刻蚀铂电极。二次光刻掩模，氢氟酸腐蚀铂电极前躯体；3、剥离光刻胶，沉积氮化硅绝缘层；4、在氮化硅上光刻掩模，用反应离子束刻蚀氮化硅制作上接触电极；剥离光刻胶，沉积上电极；5、光刻掩模，隔离上电极。由于钛酸锶钡薄膜的厚度通常在亚微米量级或者更薄，即使在较小的外加电压下亦可在钛酸锶钡薄膜中产生较强的电场，从而实现在小电压下具有较大调制能力的优点。此外，外加电场可以较好地限制在钛酸锶钡薄膜中，提高了钛酸锶钡薄膜调制能力的利用率。但在平行板电容器的制作工艺中，需多次沉积绝缘层和金属导电层，多次光刻掩模，多次反应离子束刻蚀及化学腐蚀。过多的工艺步骤直接影响器件的成品率及制作成本，另外由于沉积绝缘层和导电层所需要的生长温度不同，这对平行板电容器制作过程中的前后工艺步骤的兼容性提出苛刻的条件。如在沉积钛酸锶钡薄膜的过程中会给下电极质量的退化带来难以接受的损伤，从而降低整个器件的性能。常规交叉指状电容结构制作工艺流程简单、易于加工、便于和电路集成。但该结构自身具有较大的边缘电容，不能充分利用钛酸锶钡薄膜的调制能力，通常几微米量级的叉指间距导致在同样的外加电压下产生较弱的调制电场。利用该结构设计制作的铁电电容调制能力弱。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种铁电薄膜移相器，以提高铁电电容器的调制能力，使利用该结构设计制作的移相器可在较低的外加电压下实现较强的移相能力。

为达到上述实用新型目的，本实用新型提供的技术方案是：一种铁电薄膜移相器，包括共面线结构，共面线结构包括常规导电薄膜构成的传输线及其两侧的接地面，接地面与传输线之间是等宽的缝，传输线和其两侧的接地面上相互周期性地设置有叉指状电容结构，所述导电薄膜直接沉积在衬底基片上，在传输线和接地面的相互叉指之间的夹缝内设有铁电薄膜。

所述的铁电材料为钛酸锶钡。

所述的导电薄膜和铁电薄膜的厚度在2-50微米，叉指间距在1-10微米，叉指长度在10-1000微米。

所述的衬底材料为氧化镁、氧化铝或铝酸镧材料制成。